RU2418748C2 - Reactor with packing - Google Patents
Reactor with packing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2418748C2 RU2418748C2 RU2008104561A RU2008104561A RU2418748C2 RU 2418748 C2 RU2418748 C2 RU 2418748C2 RU 2008104561 A RU2008104561 A RU 2008104561A RU 2008104561 A RU2008104561 A RU 2008104561A RU 2418748 C2 RU2418748 C2 RU 2418748C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- elements
- packing
- reactor
- layer
- hollow
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
- B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
- B01D53/84—Biological processes
- B01D53/85—Biological processes with gas-solid contact
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/30—Loose or shaped packing elements, e.g. Raschig rings or Berl saddles, for pouring into the apparatus for mass or heat transfer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/02—Aerobic processes
- C02F3/06—Aerobic processes using submerged filters
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/02—Aerobic processes
- C02F3/10—Packings; Fillings; Grids
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/02—Aerobic processes
- C02F3/10—Packings; Fillings; Grids
- C02F3/101—Arranged-type packing, e.g. stacks, arrays
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/30—Details relating to random packing elements
- B01J2219/302—Basic shape of the elements
- B01J2219/30223—Cylinder
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/30—Details relating to random packing elements
- B01J2219/302—Basic shape of the elements
- B01J2219/30246—Square or square-derived
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/30—Details relating to random packing elements
- B01J2219/302—Basic shape of the elements
- B01J2219/30257—Wire
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/30—Details relating to random packing elements
- B01J2219/302—Basic shape of the elements
- B01J2219/30276—Sheet
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/30—Details relating to random packing elements
- B01J2219/304—Composition or microstructure of the elements
- B01J2219/30416—Ceramic
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/30—Details relating to random packing elements
- B01J2219/304—Composition or microstructure of the elements
- B01J2219/30433—Glass
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/30—Details relating to random packing elements
- B01J2219/304—Composition or microstructure of the elements
- B01J2219/30466—Plastics
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/30—Details relating to random packing elements
- B01J2219/308—Details relating to random packing elements filling or discharging the elements into or from packed columns
- B01J2219/3081—Orientation of the packing elements within the column or vessel
- B01J2219/3085—Ordered or stacked packing elements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/30—Details relating to random packing elements
- B01J2219/31—Size details
- B01J2219/315—Two or more types of packing elements or packing elements of different sizes present in the column
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
- Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
- Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Biological Treatment Of Waste Water (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится вообще к реакторам. Более конкретно настоящее изобретение относится к реакторам с послойной набивкой, которые можно использовать в химических и биологических процессах.The present invention relates generally to reactors. More specifically, the present invention relates to layered reactors that can be used in chemical and biological processes.
Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
Реакторы с набивкой обычно используют в различных процессах химической, фармацевтической, ферментационной промышленности и для обработки сточных вод. В целом набивка способствует увеличению поверхности внутри реактора, что отражается на величине отношения величины поверхности к объему для данной выбранной набивки. Обычно поверхность набивки является той поверхностью, на которой в биологических реакторах могут закрепляться промоторы реакции, такие как микробы, или в химических реакторах такие промоторы реакции, как химические катализаторы. Поскольку биологическая или химическая реакция обычно зависит от контакта реагентов и времени контакта с промотором реакции, повышенная величина поверхности контакта с промотором реакции в объеме реактора может способствовать уменьшению объема реактора, что дает существенную экономию. Соответственно чем выше отношение величины поверхности к объему реактора, тем меньший объем реактора необходим для данного процесса.Stuffed reactors are commonly used in various processes in the chemical, pharmaceutical, fermentation industries and for wastewater treatment. In general, the packing contributes to an increase in the surface inside the reactor, which is reflected in the ratio of the surface to volume for the selected packing. Typically, the packing surface is that surface on which reaction promoters such as microbes can be attached in biological reactors or reaction promoters such as chemical catalysts in chemical reactors. Since a biological or chemical reaction usually depends on the contact of the reactants and the contact time with the reaction promoter, an increased contact surface with the reaction promoter in the reactor volume can contribute to a decrease in the reactor volume, which gives significant savings. Accordingly, the higher the ratio of surface to volume of the reactor, the smaller the volume of the reactor needed for this process.
Производимые промышленностью набивки сильно различаются по форме и могут включать элементы, увеличивающие величину поверхности. Например, цилиндрическая набивка может иметь аксиальный канал, что увеличивает как внутреннюю, так и внешнюю поверхности и приводит к увеличению отношения величины поверхности к объему. Кроме того, цилиндрическая набивка может включать внутренние и/или внешние ребра или другую структуру для получения дополнительной эффективной поверхности.Gaskets produced by industry vary greatly in shape and may include elements that increase surface area. For example, a cylindrical packing may have an axial channel, which increases both the inner and the outer surfaces and leads to an increase in the ratio of surface to volume. In addition, the cylindrical packing may include inner and / or outer ribs or other structure to provide an additional effective surface.
В примере, более специфичном для биологических реакторов, используемых при обработке сточных вод, примеси служат источником питания, в общем смысле источником углерода и/или азота, для микроорганизмов, живущих на набивке реактора. Метаболизм бактерий превращает примеси в продукты метаболизма с простой химической структурой, иногда полностью разлагая примеси до диоксида углерода и воды в аэробном способе или до метана в анаэробном способе. Но в любом случае продукты метаболизма обычно не оказывают отрицательного воздействия на экологию.In an example more specific to biological reactors used in wastewater treatment, impurities serve as a power source, generally a source of carbon and / or nitrogen, for microorganisms living on the reactor packing. Bacterial metabolism turns impurities into metabolic products with a simple chemical structure, sometimes completely decomposing impurities to carbon dioxide and water in the aerobic method or to methane in the anaerobic method. But in any case, metabolic products usually do not have a negative impact on the environment.
Известны различные способы биологической очистки. Например, в патенте США №4634672 описаны биологически активные композиции для очистки сточных вод и воздуха, которые представляют собой полиуретановый гидрогель, содержащий активированный уголь с величиной удельной поверхности по БЭТ выше 50 м2/г, полимер с катионными группами и способные к росту клетки с ферментативной активностью. В патенте США №4681852 описан способ биологической очистки сточных вод и/или воздуха путем контактирования воды или воздуха с биологически активной композицией по патенту США №4634672. Экспериментальные примеры этих патентов показывают, что способ не эффективен для уменьшения концентрации загрязняющих примесей в отходящем потоке ниже 44 частей на миллион (м.д.). Это не приемлемо, т.к. Агентство по экологической безопасности (ЕРА) в некоторых примерах заявляло, что концентрация некоторых загрязняющих примесей (таких как фенол) в отходящем потоке должна быть ниже 20 частей на миллиард (ppb) (см. Агентство экологической безопасности 40 CFR, разделы 414 и 416. Ограничительные Нормативы на Выбросы Органических Веществ, Пластиков и Синтетических Волокон, Стандарты Предварительной Обработки и Новые Стандарты на Обработку Источников. Federal Register, Vol.52, No. 214, Thursday, Nov. 5, 1989. Rules & Regulations, 42522).Various methods of biological treatment are known. For example, US Pat. No. 4,634,672 describes biologically active compositions for treating wastewater and air, which are a polyurethane hydrogel containing activated carbon with a BET specific surface area of greater than 50 m 2 / g, a polymer with cationic groups and capable of cell growth with enzymatic activity. US Pat. No. 4,681,852 describes a method for biological treatment of wastewater and / or air by contacting water or air with a biologically active composition of US Pat. No. 4,634,672. Experimental examples of these patents show that the method is not effective in reducing the concentration of contaminants in the effluent below 44 ppm. This is not acceptable because The Environmental Safety Agency (EPA) has stated in some examples that the concentration of certain contaminants (such as phenol) in the effluent should be below 20 parts per billion (ppb) (see Environmental Safety Agency 40 CFR, sections 414 and 416. Restrictive Emission Standards for Organic Substances, Plastics and Synthetic Fibers, Pretreatment Standards and New Sources Handling Standards (Federal Register, Vol.52, No. 214, Thursday, Nov. 5, 1989. Rules & Regulations, 42522).
В патентах США №№3904518 и 4069148 описано добавление активированного угля или фуллеровой земли к суспензии биологически активных твердых веществ (активированной пульпе) в сточных водах с целью удаления фенола. Поглотители, по-видимому, действуют как барьер для воздействия токсичных для бактерий примесей на их метаболическую активность. На основе предложенного заявителями подхода разработан так называемый РАСТ-процесс, который нашел применение в промышленности несмотря на длительные времена контакта, обильное образование пульпы и проблемы ее разложения, а также необходимость регенерации отработанного угля.US Pat. Nos. 3,904,518 and 4,069,148 describe the addition of activated carbon or fuller earth to a suspension of biologically active solids (activated pulp) in wastewater to remove phenol. Absorbers, apparently, act as a barrier to the effects of toxic bacteria impurities on their metabolic activity. On the basis of the approach proposed by the applicants, the so-called RAST-process was developed, which found application in industry despite long contact times, abundant pulp formation and problems of its decomposition, as well as the need for regeneration of waste coal.
Rehm и сотрудники предложили использовать активированный уголь в аэробном окислении фенолов с использованием микроорганизмов на гранулированном угле, который служит пористым носителем биомассы. Используя способность микроорганизмов расти и оставаться закрепленными на поверхности, Rehm использовал в качестве пористого носителя биомассы в реакторе с циркуляцией для удаления фенола носитель из гранулированного активированного угля с развитой поверхностью (1300 м2/г), в макропорах которого закреплены клетки [Н.М.Ehrhardt и Н.J.Rehm, Appl. Microbiol. BiotechnoL, 21, 32-6 (1985)]. Полученные «иммобилизованные» клетки были устойчивы к фенолу до концентрации в сырье примерно 15 г/л, в то время как свободные клетки оставались устойчивыми до концентрации не выше 1.5 г/л. Было предположено, что активированный уголь работает как «буфер и хранилище», защищая иммобилизованные микроорганизмы путем поглощения токсичных высоких концентраций фенола, оставляя малые количества поглощенного фенола для участия в постепенном биоразложении. Эта работа была усовершенствована путем использования смешанной культуры, иммобилизованной на активированном угле [A.Morsen and Н.J.Rehm, Appl. Microbiol. BiotechnoL, 26, 283-8 (1987)], где авторы отметили, что значительное количество микроорганизмов «прорастали» в водную среду, т.е. в системе образовывалось заметное количество пульпы.Rehm and co-workers proposed using activated carbon in the aerobic oxidation of phenols using microorganisms on granular carbon, which serves as a porous biomass carrier. Using the ability of microorganisms to grow and remain fixed on the surface, Rehm used a carrier from granular activated carbon with a developed surface (1300 m 2 / g), in the macropores of which cells are fixed as a porous biomass carrier in a circulation reactor to remove phenol [N.M. Ehrhardt and H.J. Rehm, Appl. Microbiol. BiotechnoL, 21, 32-6 (1985)]. The obtained "immobilized" cells were resistant to phenol to a concentration in the feed of approximately 15 g / L, while free cells remained stable to a concentration of not higher than 1.5 g / L. It has been suggested that activated carbon acts as a “buffer and storage”, protecting immobilized microorganisms by absorbing toxic high concentrations of phenol, leaving small amounts of phenol absorbed to participate in gradual biodegradation. This work has been improved by using a mixed culture immobilized on activated carbon [A. Morsen and H. J. Rehm, Appl. Microbiol. BiotechnoL, 26, 283-8 (1987)], where the authors noted that a significant number of microorganisms "sprouted" into the aquatic environment, i.e. a noticeable amount of pulp formed in the system.
Suidan и сотрудники подробно исследовали аналогичное анаэробное разложение фенола с использованием упакованного слоя микроорганизмов, закрепленных на гранулированном угле [Y.Т.Wang, M.Т.Suidan and В.E.Rittman, Journal Water Pollut. Control Fed., 58 227-33 (1986)]. Например, при использовании гранулированного активированного угля фракции 16×20 меш в качестве носителя для микроорганизмов в виде расширенного слоя в случае сырья, содержащего 358-1432 мг фенола/л, была достигнута концентрация фенола на выходе примерно 0.06 мг/л (60 ppb) при гидравлическом времени контакта (HRT) примерно 24 ч. Несколько позже использовали слой с седловидной насадкой Берля и ряд анаэробных реакторов с расширенным слоем гранулированного активированного угля для демонстрации высокой степени превращения в метан веществ, окисляемых за счет потребления кислорода (COD), которое практически полностью протекало в реакторе с расширенным слоем [P.Fox, М.Т.Suidan, and J.Т.Pfeffer, ibid., 60, 86-92, 1988]. Была отмечена также устойчивость к разложению ортокрезола и метакрезола.Suidan and coworkers investigated in detail the similar anaerobic decomposition of phenol using a packed layer of microorganisms mounted on granular carbon [Y. T. Wang, M. T. Suidan and B. E. Rittman, Journal of Water Pollut. Control Fed., 58 227-33 (1986)]. For example, when using granular activated carbon fractions of 16 × 20 mesh as a carrier for microorganisms in the form of an expanded layer in the case of raw materials containing 358-1432 mg of phenol / l, a phenol concentration of about 0.06 mg / l (60 ppb) was achieved at hydraulic contact time (HRT) of about 24 hours. Somewhat later, a Berl saddle pad and a series of anaerobic reactors with an expanded granular activated carbon layer were used to demonstrate a high degree of conversion of oxidizable substances into methane Thu oxygen demand (COD), which almost completely proceeded in the reactor with an expanded layer [P.Fox, M.T.Suidan, and J.T.Pfeffer, ibid., 60, 86-92, 1988]. Resistance to decomposition of orthocresol and metacresol was also noted.
Givens and Sack, 42nd Purdue University Industrial Waste Conference Proceedings, pp.93-102 (1987) подробно изучили свойства пропитанной углем полиуретановой пены в качестве носителя для микробов при аэробном удалении вредных примесей, включая фенол. Пористая полиуретановая пена, пропитанная изнутри активированным углем и содержащая микроорганизмы, закрепленные на внешней поверхности, была использована в активированном пульповом реакторе аналогично способам Captor и Linpor, которые отличаются только отсутствием угля внутри пены. Способ сопровождается значительным образованием пульпы и положительный эффект угля отсутствует.Givens and Sack, 42nd Purdue University of Industrial Waste Conference Proceedings, pp. 93-102 (1987) studied in detail the properties of coal-soaked polyurethane foam as a carrier for microbes in the aerobic removal of harmful impurities, including phenol. Porous polyurethane foam impregnated with activated carbon from the inside and containing microorganisms fixed on the outer surface was used in an activated pulp reactor similarly to the Captor and Linpor methods, which differ only in the absence of coal inside the foam. The method is accompanied by significant pulp formation and there is no positive effect of coal.
В самом способе Captor используется набивка из пористой полиуретановой пены для создания большой внешней поверхности, на которой растут микробы в резервуаре аэрации для биологической обработки сточных вод. В приведенной выше работе описан способ Captor, модифицированный наличием угля внутри пены. Оценка самого способа Captor на пилотной установке в течение двух лет показала заметное образование пульпы со значительно меньшей плотностью микробов, чем было заявлено [J.A.Heidman, R.С.Bremier and Н.J.Shah, J. of Environmental Engineering, 114, 1077-96 (1988)]. Следует отметить, что, как было отмечено выше, способ Captor представляет собой в сущности аэрируемый пульповый реактор, в котором пульповая набивка удерживается в резервуаре аэрации с помощью экранов на отходящей линии. Избыток пульпы следует непрерывно удалять путем удаления части набивки с помощью выгружного конвейера и пропускания набивки через нажимные валики для выдавливания твердых веществ.The Captor method itself uses a padding of porous polyurethane foam to create a large external surface on which microbes grow in an aeration tank for biological wastewater treatment. The above work describes the Captor method, modified by the presence of coal inside the foam. Evaluation of the Captor method itself in a pilot plant for two years showed a noticeable pulp formation with a significantly lower microbial density than stated [JA Heidman, R. C. Bremier and H. J. Shah, J. of Environmental Engineering, 114, 1077- 96 (1988)]. It should be noted that, as noted above, the Captor method is essentially an aerated pulp reactor, in which the pulp packing is held in the aeration tank using screens on the outgoing line. Excess pulp should be continuously removed by removing part of the packing using an unloading conveyor and passing the packing through pressure rollers to extrude solids.
Н.Bettmann and Н.J.Rehm, Appl. Microbial. BiotechnoL, 22, 389-393 (1985) использовали биореактор с кипящим слоем для эффективного непрерывного аэробного разложения фенола при гидравлическом времени контакта примерно 15 ч с применением культуры Pseudomonas putida в полиакриламидгидразидном геле. Также было описано применение микроорганизмов в полиуретановых пенах для аэробного окисления фенола во встряхиваемой колбе [А.М.Anselmo et al., Biotechnology B.L., 7, 889-894 (1985)].H. Bettmann and H. J. Rehm, Appl. Microbial BiotechnoL, 22, 389-393 (1985) used a fluidized bed bioreactor for efficient continuous aerobic decomposition of phenol at a hydraulic contact time of about 15 hours using a Pseudomonas putida culture in a polyacrylamide hydrazide gel. The use of microorganisms in polyurethane foams for the aerobic oxidation of phenol in a shake flask has also been described [A. M. Anselmo et al., Biotechnology B.L. 7, 889-894 (1985)].
Известные способы биоразложения имеют множество недостатков. Например, основным результатом расширенного применения таких способов является повышенное количество пульпы, что представляет собой серьезную экологическую проблему в связи с необходимостью ограничения выбросов и распространения необработанной пульпы по поверхности суши и моря [G.Michael Alsop and Richard A. Conroy, «Улучшенная термическая переработка пульпы с помощью кислот и оснований», Journal WPCF, Vol.54, No. 2 (1982), Т. Calcutt and R. Frost, «Перспективы переработки пульпы», Journal of the Institute of Water Pollution Control, Vol.86, No. 2 (1987) и «Кризис утилизации городских отходов и разработка новых технологий». Подготовлено строительной корпорацией США United States Building Corporation, P.O. Box 49704, Los Angles, Calif. 90049 (Nov. 22, 1988)]. Затраты на разложение пульпы сегодня могут в несколько раз превышать сумму расходов на обработку сточных вод.Known biodegradation methods have many disadvantages. For example, the main result of the widespread use of such methods is an increased amount of pulp, which poses a serious environmental problem due to the need to limit the emissions and spread of untreated pulp over land and sea [G. Michael Alsop and Richard A. Conroy, “Improved thermal processing of pulp with acids and bases ”, Journal WPCF, Vol. 54, No. 2 (1982), T. Calcutt and R. Frost, “Prospects for Pulp Processing,” Journal of the Institute of Water Pollution Control, Vol. 86, No. 2 (1987) and “The Crisis of Urban Waste Management and the Development of New Technologies”. Prepared by the United States Building Corporation, United States Building Corporation, P.O. Box 49704, Los Angles, Calif. 90049 (Nov. 22, 1988)]. The cost of pulp decomposition today can be several times higher than the cost of wastewater treatment.
Для решения проблем с пульпой было предложено использовать системы анаэробной обработки сточных вод [William J. Jewell «Анаэробная обработка сточных вод», Environ. Sci. Technol., Vol.21, No. 1 (1987)]. Наибольшее различие между аэробными и анаэробными системами заключается в количестве вновь образующихся клеток. Более половины субстрата, удаляемого в аэробных системах, может образовать новую микробную массу или пульпу, тогда как в анаэробных условиях ее количество обычно меньше 15% удаленных органических веществ. Однако анаэробные системы ограничены числом субстратов, которые могут разлагаться или подвергаться изменению, таких как незамещенные ароматические соединения [cм. N.S.Battersby & V.Wilson. «Обзор органических веществ по потенциалам анаэробного биоразложения сточных вод». Applied & Environmental Microbiology, 55(2): р. 433-439, February 1989]. Существенным недостатком большинства промышленных способов является образование побочных продуктов - кокса и угольной смолы - обычно в виде незамещенных ароматических соединений [см. J.М.Thomas, М.D.Lee, М.J.Scott и С.Н.Ward, «Микробная экология приповерхностного слоя в местах неконтролируемого выброса креозота». Journal of Industrial Microbiology, Vol.4, p.109-120, 1989].To solve pulp problems, it was proposed to use anaerobic wastewater treatment systems [William J. Jewell “Anaerobic wastewater treatment”, Environ. Sci. Technol., Vol.21, No. 1 (1987)]. The biggest difference between aerobic and anaerobic systems is the number of newly formed cells. More than half of the substrate removed in aerobic systems can form a new microbial mass or pulp, while under anaerobic conditions its amount is usually less than 15% of the removed organic substances. However, anaerobic systems are limited by the number of substrates that can decompose or undergo changes, such as unsubstituted aromatic compounds [see N.S. Battersby & V. Wilson. "A review of organic substances on the potentials of anaerobic biodegradation of wastewater." Applied & Environmental Microbiology, 55 (2): p. 433-439, February 1989]. A significant drawback of most industrial processes is the formation of by-products - coke and coal tar - usually in the form of unsubstituted aromatic compounds [see J. M. Thomas, M. D. Lee, M. J. Scott and C. N. Ward, “Microbial ecology of the surface layer in places of uncontrolled release of creosote.” Journal of Industrial Microbiology, Vol.4, p.109-120, 1989].
Другим недостатком некоторых известных способов биоразложения является то, что в этих способах концентрация органических вредных примесей не снижается до разумных величин [предпочтительно менее примерно 0.1 частей на миллион (м.д.)] при разумных временах контакта (предпочтительно менее примерно 24 ч). Например, в способе согласно патентам США №№4681851 и 4634672 (см. конкретные примеры) концентрация примесей фенола не уменьшалась ниже примерно 44 м.д.Another disadvantage of some known biodegradation methods is that in these methods the concentration of organic harmful impurities does not decrease to reasonable values [preferably less than about 0.1 ppm (ppm)] at reasonable contact times (preferably less than about 24 hours). For example, in the method according to US patents Nos. 4681851 and 4634672 (see specific examples), the concentration of phenol impurities did not decrease below about 44 ppm.
Патент США №2812031 относится к экстракции фенолов из водных растворов с помощью полиуретановой пены в присутствии гидрофильных волокон. В патенте указано, что в то время как полиуретановые пены относительно гиброфобны, что может мешать необходимому для адсорбции межфазному контакту, проблема решается с помощью использования гидрофильных волокон, способных тесно контактировать с поверхностью полиуретана и облегчающих его смачивание.US patent No. 2812031 relates to the extraction of phenols from aqueous solutions using polyurethane foam in the presence of hydrophilic fibers. The patent states that while polyurethane foams are relatively flexible, which can interfere with the phase contact necessary for adsorption, the problem is solved by using hydrophilic fibers that can closely contact the surface of the polyurethane and facilitate its wetting.
Патент США №3617531 относится к способу селективной адсорбции фенола из растворов в углеводородах. В этом способе раствор приводят в контакт с полиуретановой пеной.US patent No. 3617531 relates to a method for the selective adsorption of phenol from solutions in hydrocarbons. In this method, the solution is brought into contact with a polyurethane foam.
В патенте США №4983299 и РСТ WO 90/11970 описаны реакторы с неподвижным слоем для биоразложения или разложения органических вредных примесей, причем реактор содержит биомассу из частиц, состоящих из субстрата, такого как полиуретановая пена, с анаэробными микробами, и адсорбента для вредных примесей на поверхности, внутри или во всем указанном субстрате.U.S. Pat. surface, inside or in the entire specified substrate.
В патенте США №4165281 раскрыты способ и установка для обработки сточных вод с помощью микроорганизмов, в которой в резервуаре аэрации по меньшей мере один каркас из нетканых волокон с трехмерной сетчатой структурой служит носителем для удержания микроорганизмов на поверхности и в междоузлиях каркаса и органические вредные примеси в сточных водах окислительно разлагаются микроорганизмами в присутствии кислорода.US Pat. No. 4,165,281 discloses a method and apparatus for treating wastewater using microorganisms in which at least one non-woven fiber frame with a three-dimensional mesh structure in the aeration tank serves as a carrier for holding microorganisms on the surface and in the internodes of the frame and organic harmful impurities in sewage is oxidatively decomposed by microorganisms in the presence of oxygen.
В патенте США №4820415 раскрыт способ биологической обработки сточных вод путем удаления органического вещества с помощью микроорганизмов, в котором носитель для указанных микроорганизмов добавляют к указанной жидкости, а указанный носитель включает содержащий наполнитель гидрофильный полимер с открытыми порами в виде отдельных частиц, причем усовершенствование заключается в том, что указанные частицы полимера, насыщенные водой и содержащие по меньшей 70 об.% биомассы, образующейся во время процесса, имеют среднюю плотность несколько ниже плотности указанной жидкости и поэтому суспендируются в верхних двух третях указанной жидкости.US Pat. No. 4,820,415 discloses a method for biological treatment of wastewater by removing organic matter using microorganisms, in which a carrier for said microorganisms is added to said liquid, and said carrier comprises a filler-containing hydrophilic polymer with open pores in the form of separate particles, the improvement being the fact that these polymer particles, saturated with water and containing at least 70 vol.% biomass generated during the process, have an average density of slightly f density of said liquid and so suspended in the upper two-thirds of said liquid.
В патенте США 4469600 описана биологическая очистка сточных вод в реакторе в присутствии сжимаемого носителя с открытыми порами для биомассы, причем носитель перед использованием в реакторе заполняют бактериями и мелкоизмельченными неорганическими и/или органическими соединениями, выбранными для очистки воды, и затем либо хранят, либо используют в данном способе, причем заполненный носитель особенно полезен для уменьшения времени начального периода работы предприятия для очистки сточных вод.US Pat. No. 4,469,600 describes the biological treatment of wastewater in a reactor in the presence of a compressible open-cell carrier for biomass, the carrier being filled with bacteria and finely ground inorganic and / or organic compounds selected for water treatment before being used in the reactor, and then either stored or used in this method, the filled carrier being especially useful for reducing the time of the initial period of operation of an enterprise for wastewater treatment.
Патент США №4576718 относится к использованию непенящихся, неабразивных высококонцентрированных полиуретановых (мочевинных) композиций с высокой способностью поглощать воду, которые во время их приготовления не содержат клеток, способных к росту, в качестве носителей для биомассы при биологической обработке сточных вод. Эти носители содержат наполнитель в количестве более 15 мас.% и менее 95 мас.% (в расчете на сухое вещество). Наполнители выбирают из группы, состоящей из природных веществ, содержащих мелкораздробленную ископаемую лигноцеллюлозу или ее вторичные продукты (например, торф, лигнит, минеральный уголь или кокс), активированный уголь, мелкораздробленные остатки от перегонки, неорганические наполнители, однородные или клеточные частицы пластиков (и более конкретно частицы полиуретановой пены (лом, отходы)) и их смеси. Полиуретан (мочевина) является гидрофильным и/или гидрофобным полиуретаном (мочевиной) и предпочтительно содержит катионные группы. Эти полиуретановые (мочевинные) носители с высоким наполнением обладают способностью поглощать воду в количестве более 33 мас.% воды в набухшем носителе.US patent No. 4576718 relates to the use of non-foaming, non-abrasive, highly concentrated polyurethane (urea) compositions with high ability to absorb water, which during their preparation do not contain cells capable of growth, as carriers for biomass in the biological treatment of wastewater. These carriers contain a filler in an amount of more than 15 wt.% And less than 95 wt.% (Calculated on dry matter). Fillers are selected from the group consisting of natural substances containing finely divided fossil fossil lignocellulose or its secondary products (e.g. peat, lignite, mineral coal or coke), activated carbon, finely divided residues from distillation, inorganic fillers, homogeneous or cellular particles of plastics (and more specifically polyurethane foam particles (scrap, waste)) and mixtures thereof. Polyurethane (urea) is hydrophilic and / or hydrophobic polyurethane (urea) and preferably contains cationic groups. These polyurethane (urea) carriers with a high filling have the ability to absorb water in an amount of more than 33 wt.% Water in a swollen carrier.
На предшествующем уровне техники были описаны исключительные свойства полиуретановой пены с открытыми порами в качестве матрицы-носителя для биологически активной биомассы, но не рассматривались проблемы, связанные с использованием этого материала в биореакторах. Массоперенос в биореакторах с неподвижной пленкой и полиуретаном в качестве матрицы-носителя ограничен структурной целостностью полиуретановой пены и сопротивлением сжатию и вследствие этого проскоком воды и воздуха в реакторе с неподвижной пленкой, как описано у L.J.DeFilippi and F.Stephen Lupton, «Введение в микробное разложение водных стоков и его применение в реакторах с неподвижной пленкой», Chapter 2, р.35-68, в книге «Биологическая обработка вредных стоков», под ред. G.A.Lewandowski and L.J.DeFilippi, 1998. Неоднократно предпринимались попытки преодолеть этот недостаток полиуретановой пены. В одном способе использовали полиуретановую пену, прикрепленную к вращающимся пластинам вращающегося биологического контактора (RBC), как это описано в работе Takahiro Suzuki, Satomi Yamaya and Masaru Ishida, «Обработка углеводородов в биореакторе с разбрызгиванием воздуха и вращающемся биологическом контакторе», The Association for Environmental Health and Sciences, Soil Sediment and Water, August, 2001. Однако эти авторы показали, что вращающиеся биологические контакторы не являются такими эффективными биореакторами, как реакторы с разбрызгиванием воздуха типа барботажной колонны.The prior art has described the exceptional properties of open-cell polyurethane foam as a carrier matrix for biologically active biomass, but has not addressed the problems associated with the use of this material in bioreactors. Mass transfer in bioreactors with a fixed film and polyurethane as a carrier matrix is limited by the structural integrity of the polyurethane foam and the compressive strength and, as a result, by the slip of water and air in a fixed-film reactor, as described by LJDeFilippi and F. Stephen Lupton, “Introduction to microbial decomposition of water effluents and its use in fixed-film reactors ",
Патент США 5217616 относится к использованию полиуретановой пены, хаотически смешанной с твердыми прокладками из пластика, которые предотвратили бы сжатие полиуретана при аэрировании слоя. Хотя слой полиуретана не сжимается, массоперенос кислорода из пузырьков кислорода к жидкой фазе понижен по сравнению с аэрированием жидкой фазы в отсутствие набивки.US Pat. No. 5,217,616 relates to the use of polyurethane foam randomly mixed with solid plastic gaskets that would prevent the polyurethane from compressing during aeration of the layer. Although the polyurethane layer does not compress, the mass transfer of oxygen from oxygen bubbles to the liquid phase is reduced compared to aeration of the liquid phase in the absence of packing.
Соответственно желательно разработать набивку для реактора, которая создавала бы повышенную величину отношения поверхности к объему при поддержании низкого снижения давления, что позволило бы избежать избыточного проскока жидкости через реактор, с тем чтобы достичь узкого интервала распределения времен контакта в реакторе. Кроме того, желательно использовать материалы, такие как полиуретановые пены, с потенциально большим отношением величины поверхности к объему благодаря наличию пор, доступных для протекания реакции. Более того, из последующего подробного описания и формулы в сочетании с сопровождающими чертежами и рассмотренными выше областью техники и предпосылками создания изобретения будут очевидны другие важные особенности и характеристики настоящего изобретения.Accordingly, it is desirable to develop a gasket for the reactor, which would create an increased surface to volume ratio while maintaining a low pressure drop, which would avoid excessive leakage of liquid through the reactor in order to achieve a narrow distribution interval of contact times in the reactor. In addition, it is desirable to use materials, such as polyurethane foams, with a potentially large ratio of surface to volume due to the presence of pores available for the reaction to proceed. Moreover, other important features and characteristics of the present invention will be apparent from the following detailed description and claims in combination with the accompanying drawings and the foregoing technical field and the background of the invention.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Изобретение предлагает реактор с набивкой, пригодный для разнообразного применения в химической, фармацевтической и ферментационной промышленности, для сокращения отходов и в родственных отраслях. Варианты набивки характеризуются чередованием слоев набивки. Реакторы с набивкой отличаются низким снижением давления при проходе через слои, пониженным проскоком через слой и следовательно улучшенным распределением времен контакта в реакторе. Улучшенное распределение времен контакта оказывает заметное влияние на качество отходящих технологических потоков после обработки, а также вероятное уменьшение размера реактора и экономию затрат.The invention provides a packed reactor suitable for a variety of applications in the chemical, pharmaceutical, and fermentation industries, for waste reduction, and in related industries. Packing options are characterized by alternating layers of packing. Stuffed reactors are characterized by a low pressure drop when passing through the beds, a reduced slip through the bed, and therefore an improved distribution of contact times in the reactor. The improved distribution of contact times has a significant effect on the quality of the outgoing process streams after processing, as well as the likely reduction in reactor size and cost savings.
Изобретение в значительной мере устраняет один из основных недостатков реакторов с набивкой, особенно биореакторов, содержащих микроорганизмы, а именно проблему неравномерного распределения потока через набивку в хаотически упакованных слоях. Неравномерное распределение потоков возникает потому, что воздух и вода стараются найти в хаотической набивке и биомассе каналы наименьшего сопротивления. В результате растворенные питательные вещества, кислород и субстраты вытесняются преимущественно в зоны, соседние с этими образующимися каналами, в то время как другие части слоя оказываются не активными в биологических процессах. Кроме того, т.к. рост микроорганизмов поддерживается в зонах, соседних с каналами, это еще больше ограничивает распределение биохимических реагентов по хаотически упакованному слою. Слои набивки согласно изобретению, состоящие из чередующихся слоев активных веществ (пористые носители для микроорганизмов), и пустотелые элементы набивки являются полезным решением проблемы, как объяснено ниже.The invention substantially eliminates one of the main disadvantages of packed reactors, especially bioreactors containing microorganisms, namely, the problem of uneven distribution of flow through the packing in randomly packed layers. The uneven distribution of flows arises because air and water try to find the channels of least resistance in the chaotic packing and biomass. As a result, dissolved nutrients, oxygen, and substrates are displaced mainly into zones adjacent to these formed channels, while other parts of the layer are not active in biological processes. In addition, since the growth of microorganisms is supported in areas adjacent to the channels, this further limits the distribution of biochemical reagents in a chaotically packed layer. The packing layers according to the invention, consisting of alternating layers of active substances (porous carriers for microorganisms), and hollow packing elements are a useful solution to the problem, as explained below.
В одном варианте изобретение предлагает реактор с набивкой, состоящей из ряда чередующихся слоев. Чередующиеся слои набивки включают первый слой набивки из пустотелых элементов и второй слой набивки из пористых элементов носителя, содержащих поры размером примерно 15-20 пор на дюйм (ppi).In one embodiment, the invention provides a packed reactor consisting of a series of alternating layers. Alternating packing layers include a first packing layer of hollow elements and a second packing layer of porous support elements containing pores of about 15-20 pores per inch (ppi).
В другом варианте изобретение предлагает реактор с набивкой в виде ряда чередующихся слоев, где первый слой набивки содержит пустотелые элементы набивки, хаотически помещенные в слой глубиной до 10 элементов набивки, и второй слой набивки из пористых элементов носителя из гидрофобной пены. Пена содержит поры размером примерно 15-20 ppi, и пористые элементы носителя беспорядочно упакованы в слой глубиной до примерно 10 пористых элементов носителя. Элементы набивки первого слоя и пористые элементы носителя во втором слое подобраны по форме так, чтобы объем пустот в реакторе составлял примерно 50-65%.In another embodiment, the invention provides a packed reactor in the form of a series of alternating layers, where the first packing layer contains hollow packing elements randomly placed in a layer with a depth of up to 10 packing elements, and a second packing layer of porous hydrophobic foam carrier elements. The foam contains pores of about 15-20 ppi, and the porous support elements are randomly packed into a layer up to about 10 porous support elements in depth. The packing elements of the first layer and the porous support elements in the second layer are selected in shape so that the volume of voids in the reactor is about 50-65%.
В другом варианте реактор с набивкой содержит ряд чередующихся слоев набивки, где первый слой набивки состоит из пустотелых элементов, беспорядочно набитых в слой глубиной примерно 10 элементов набивки, и второй слой набивки включает пористые элементы носителя из гидрофобной пены. Пористые элементы носителя хаотически насыпаны в слой глубиной до примерно 10 пористых элементов. Кроме того, элементы набивки в первом слое включают в основном цилиндры, а пористые элементы носителя второго слоя имеют в основном прямолинейную форму.In another embodiment, a packed reactor comprises a series of alternating packing layers, where the first packing layer consists of hollow elements randomly packed into a layer of about 10 packing elements in depth and the second packing layer includes porous hydrophobic foam carrier elements. Porous support elements are randomly poured into a layer up to about 10 porous elements deep. In addition, the packing elements in the first layer comprise mainly cylinders, and the porous support elements of the second layer have a substantially rectilinear shape.
Хотя последующее подробное описание относится в основном к использованию реакторов в биологических способах обработки сточных вод, специалистам очевидно, что реакторы согласно данному изобретению имеют широкое применение и в других областях химической и биологической промышленности, где в полной мере проявятся преимущества данного изобретения.Although the following detailed description mainly relates to the use of reactors in biological wastewater treatment methods, it will be apparent to those skilled in the art that the reactors of this invention are widely used in other fields of the chemical and biological industries, where the advantages of this invention will be fully apparent.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения варианта цилиндрического реактора с набивкой согласно изобретению.Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a variant of a cylindrical packed reactor according to the invention.
Фиг.2 представляет схематическое поперечное сечение для варианта прямолинейного реактора с набивкой согласно данному изобретению.FIG. 2 is a schematic cross-section for an embodiment of a rectilinear gasket reactor according to this invention.
Фиг.3 схематически представляет пенный элемент носителя в поперечном сечении.Figure 3 schematically represents a foam element of the carrier in cross section.
Фиг.4 представляет пример перспективного изображения элемента набивки предшествующего уровня техники в виде пустотелого цилиндра типа элемента набивки HiFlow™ от Jaeger.4 is an example of a perspective view of a prior art packing element in the form of a hollow cylinder, such as a Jaeger HiFlow ™ packing element.
Фиг.5 представляет схематическое поперечное сечение реакторов, использованных в примере I.Figure 5 is a schematic cross section of the reactors used in example I.
Фиг.6 представляет схематическое поперечное сечение реакторов, использованных в примере II.6 is a schematic cross section of the reactors used in example II.
Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Следующее подробное описание является по существу иллюстративным и не ставит целью ограничить изобретение или области его применения. Более того, авторы не связывают себя какой-либо определенной теорией, представленной в приведенных разделах - область техники, предпосылки создания изобретения, краткое содержание или последующее подробное описание.The following detailed description is essentially illustrative and is not intended to limit the invention or its scope. Moreover, the authors do not bind themselves to any specific theory presented in the sections given - the technical field, the background of the invention, a brief summary or the following detailed description.
Изобретение представляет реакторы с набивкой в виде ряда чередующихся слоев набивки, которые находят широкое применение. Для краткости и упрощения описания оно в основном будет относиться к обработке сточных вод с учетом того, что описание этого варианта или области не ограничивает применение изобретения только этой областью.The invention provides packed reactors in the form of a series of alternating packing layers that are widely used. For brevity and simplification of the description, it will mainly relate to wastewater treatment, given that the description of this option or area does not limit the application of the invention to this area only.
В одном варианте данное изобретение относится к способу удаления органических вредных примесей из сточных вод. Более конкретно этот вариант относится к реактору с набивкой и способу удаления таких вредных примесей, особенно вредных примесей и веществ, окисляемых за счет потребления кислорода (COD), путем аэробного биоразложения с использованием пористых носителей для биомассы. Разумеется, удаление других загрязняющих веществ, таких как вещества, окисляемые биологическим путем (BOD), которые, как известно, удаляются за счет биоразложения, также входит в объем настоящего изобретения.In one embodiment, this invention relates to a method for removing organic harmful impurities from wastewater. More specifically, this embodiment relates to a packed reactor and a method for removing such harmful impurities, especially harmful impurities and substances oxidized by the consumption of oxygen (COD), by aerobic biodegradation using porous biomass carriers. Of course, the removal of other contaminants, such as biologically oxidizable (BOD) substances, which are known to be removed by biodegradation, are also included in the scope of the present invention.
Для обработки сточных вод используют реактор, имеющий вход для потока сырья с одним или более загрязняющими веществами и выход для отходящего потока, в котором концентрация по меньшей мере одного из загрязняющих веществ меньше, чем его концентрация в подаваемом сырье. Реактор заполнен биологически активной биомассой, которая эффективно понижает уровень одного или более загрязняющих веществ. Биомассу наносят на множество пористых носителей, которые вместе с биомассой образуют множество биологически активных элементов. Пористые носители распределены в реакторе так, что между ними остаются промежутки. Таким образом, в целом биологически активные элементы включают субстрат (а именно, пористые носители) и эффективное количество одного или более микроорганизмов, способных к переработке по меньшей мере одного из загрязняющих веществ в потоке сырья в условиях процесса в реакторе. Биологически активные элементы характеризуются отношением поверхности к объему, которое больше, чем у полых элементов набивки, которые распределены в биомассе для создания контакта между потоком сырья, проходящего через пустотелые элементы набивки, и всей или частью внутренней и внешней поверхности всех биологически активных элементов, соседних с указанными промежутками.For wastewater treatment, a reactor is used having an inlet for a feed stream with one or more pollutants and an outlet for an exhaust stream in which the concentration of at least one of the pollutants is less than its concentration in the feed. The reactor is filled with biologically active biomass, which effectively lowers the level of one or more pollutants. Biomass is applied to many porous carriers, which together with biomass form many biologically active elements. Porous carriers are distributed in the reactor so that gaps remain between them. Thus, in general, biologically active elements include a substrate (namely, porous carriers) and an effective amount of one or more microorganisms capable of processing at least one of the contaminants in the feed stream under the conditions of the process in the reactor. Biologically active elements are characterized by a surface to volume ratio that is greater than that of hollow packing elements, which are distributed in the biomass to create contact between the flow of raw materials passing through the hollow packing elements, and all or part of the inner and outer surfaces of all biologically active elements adjacent to indicated intervals.
Кроме того, данное изобретение относится к способу, аппаратуре и биомассе, которые обеспечивают улучшенные параметры - скорость, эффективность и регулируемость процесса биоразложения. Предположено, что эти усовершенствования обусловлены улучшенным контактом и распределением жидкости, газа и/или твердой фазы в технологической схеме, аппаратуре и биомассе по сравнению с технологическими схемами, аппаратурой и биомассой предшествующего уровня техники с такими же физическими и рабочими параметрами, т.е. конфигурацией, компонентами, гидравлическим давлением и т.д., но использующими только биологически активные элементы без пустотелых элементов набивки. Результатом введения соответствующим образом распределенных пустотелых элементов набивки является то, что способ, аппаратура и биомасса данного изобретения способствуют биоразложению. Кроме того, соответствующее распределение добавленных пустотелых элементов набивки также повышает способность реактора поддерживать более стационарную концентрацию загрязняющего вещества в отходящем потоке, несмотря на сравнительно большую флуктуацию концентрации этого загрязняющего вещества в потоке сырья по сравнению с известными способами, аппаратурой и биомассой, которая содержит только биологически активные элементы, но без пустотелых элементов набивки. В реакторах согласно изобретению пустотелые элементы набивки распределены слоями, которые чередуются со слоями биологически активных элементов, создавая промежутки в биомассе в реакторе для потока жидкости. Это усовершенствование в потоках жидкости через реактор приводит к многим преимуществам по сравнению с предшествующим уровнем техники.In addition, this invention relates to a method, apparatus and biomass, which provide improved parameters - speed, efficiency and adjustable biodegradation process. It is assumed that these improvements are due to improved contact and distribution of liquid, gas and / or solid phase in the technological scheme, equipment and biomass compared with technological schemes, equipment and biomass of the prior art with the same physical and operating parameters, i.e. configuration, components, hydraulic pressure, etc., but using only biologically active elements without hollow packing elements. The result of introducing appropriately distributed hollow packing elements is that the method, apparatus and biomass of the present invention contribute to biodegradation. In addition, the corresponding distribution of added hollow packing elements also increases the ability of the reactor to maintain a more stationary concentration of the pollutant in the effluent, despite the relatively greater fluctuation in the concentration of this pollutant in the feed stream compared to known methods, apparatus and biomass, which contains only biologically active elements, but without hollow packing elements. In the reactors according to the invention, the hollow packing elements are distributed in layers that alternate with layers of biologically active elements, creating gaps in the biomass in the reactor for liquid flow. This improvement in fluid flows through the reactor leads to many advantages over the prior art.
Биологически активные элементы включают пористые носители, и эти носители предпочтительно изготавливают из эластичной полимерной пены, которая может сжиматься (до некоторой степени) при рабочем давлении, применяемом в способе биоразложения, что позволяет жидкости проникать в поток через поры в пене. Аппаратура и биомасса данного изобретения обеспечивают пониженное сжатие активных элементов по сравнению со способами, аппаратурой и биомассой предшествующего уровня техники с теми же структурными и рабочими параметрами и активными элементами, но без пустотелых элементов набивки. Послойное расположение биологически активных элементов и пустотелых элементов набивки обеспечивает быстрый массоперенос кислорода в ходе биоразложения. Аппаратура и биомасса данного изобретения также приводят к повышенному массопереносу по сравнению со способами, аппаратурой и биомассой предшествующего уровня техники с теми же структурными и рабочими параметрами и активными элементами, но без пустотелых элементов набивки наряду с активными элементами.Biologically active elements include porous carriers, and these carriers are preferably made of an elastic polymer foam, which can be compressed (to some extent) at the working pressure used in the biodegradation method, which allows the liquid to penetrate through the pores in the foam. The apparatus and biomass of the present invention provide reduced compression of the active elements compared to prior art methods, apparatus and biomass with the same structural and operating parameters and active elements, but without hollow packing elements. Layer-by-layer arrangement of biologically active elements and hollow packing elements provides fast mass transfer of oxygen during biodegradation. The apparatus and biomass of the present invention also lead to increased mass transfer compared to methods, apparatus and biomass of the prior art with the same structural and operating parameters and active elements, but without hollow packing elements along with active elements.
Настоящее изобретение в варианте биоразложения будет более понятно при рассмотрении включенных фигур. Разумеется, специалистам в этой области будут очевидны и другие варианты изобретения, касающиеся других химических и биологических процессов.The present invention in a variant of biodegradation will be more clear when considering the included figures. Of course, specialists in this field will be obvious and other variants of the invention relating to other chemical and biological processes.
На фиг.1 и 2 реактор 100 предназначен для использования в варианте данного изобретения для биоразложения веществ, содержащихся в сырье, с помощью аэробных или анаэробных микробов. Использованный здесь термин «биоразложение» включает метаболическое разложение органических соединений в более низкомолекулярные соединения, метаболическую конверсию неорганических соединений азота, таких как аммиак (NH3) и оксиды азота (например, NO3, NO2 и т.п.), до газообразного азота и дегалогенирование путем удаления атомов галогенов, таких как хлор, фтор, бром и/или йод, из галогенированных органических соединений.1 and 2, the
Реакторы 100 на фиг.1 и 2 являются горизонтальными и вертикальными в соответствии с их конструкцией и конфигурацией. Однако на практике данного изобретения конструкция, конфигурация и конструкционные материалы могут варьироваться в широких пределах и в практике данного изобретения можно использовать другие конструкции и конфигурации при условии, что весь слой 102 или его часть в реакторе являются неподвижным или практически неподвижными. Использованный здесь термин «реактор с неподвижным слоем или практически неподвижным слоем» относится к реактору, в котором множество биологически активных частиц являются стационарными или практически стационарными при движении потока сырья через реактор. Кроме того, термин «слой набивки» означает слой в реакторе, включающий набивку любого вида независимо от того, содержит (или будет содержать) набивка биомассу.The
Реактор 100 содержит слой 102, который включает биологически активные элементы 110, биомассу 116 и пустотелые элементы набивки 120. В биомассе 116 между активными элементами 110 и элементами набивки 120 остаются пустоты или пустые или практически пустые области 115. Технологический поток может протекать по этим пустым областям 115. Активные элементы 110 удерживаются от уноса силами, направленными вдоль технологического потока, пористым экраном или пластиной 136. Экран 136 достаточно пористый, чтобы через него протекало эффективное количество газа или жидкости, необходимое для осуществления метаболизма микроорганизмов на активных элементах в ходе биоразложения. Реактор 100 также включает диффузоры 138 для подачи газа в реактор 100 и распределитель потока сырья 130.The
Как показано в вариантах на фиг.1 и 2, слои набивки 102 в реакторах 100 включают пустотелые элементы набивки 120, которые соседствуют со слоями активных элементов 110. В принципе в качестве структур для пустотелых элементов набивки 120 можно использовать любые из разнообразных структур, способных образовать пустые или практически пустые области для прохода через них жидкости. Соответственно пустотелые элементы набивки 120 могут иметь разную форму. Однако эти формы можно необязательно выбирать таким образом, чтобы облегчить образование промежутков 115 между активными элементами и пустотелыми элементами набивки 120 в биомассе 116 для прохода жидкого потока через промежутки 115.As shown in the embodiments of FIGS. 1 and 2, the packing layers 102 in the
В одном варианте носители 114 для биологически активных элементов 110 (см. фиг.1, 2 и 3) представляют собой прямоугольные пористые элементы типа кубов, а пустотелые элементы набивки 120 могут тогда быть практически цилиндрическими. Как показано на фиг.4, элементы набивки HiFlow™ от Jaeger являются примером пустотелых элементов набивки 120. В этом случае элементы набивки 120 имеют форму тонких цилиндрических стаканов 122, которые содержат четыре сквозных отверстия 126 по одному на каждой четверти внешней поверхности. Кроме того, стакан 122 содержит пару пересекающихся вертикальных внутренних стенок (или ребер) 124, что увеличивает внутреннюю поверхность и отношение величины поверхности к объему в элементе набивки 120. Элементы набивки имеют жесткий полый каркас 128, который определяет форму структур.In one embodiment, the
Хотя форма пустотелых элементов набивки 120 не является критичной и можно использовать практически любую форму, которая создает промежутки для потока, варианты, показанные на фиг.4, являются практически цилиндрическими.Although the shape of the hollow elements of the packing 120 is not critical and you can use almost any shape that creates gaps for flow, the options shown in figure 4 are almost cylindrical.
Во время работы реактора поток сырья, протекающий через пустые области 115 и пустотелые элементы набивки 120, обеспечивает контакт между жидкостью и всей или практически всей внутренней или внешней поверхностью всех или практически всех соседних биологически активных элементов 110.During operation of the reactor, a feed stream flowing through
Для достижения максимального контакта между технологическим потоком и биомассой на активных элементах 110 пустотелые элементы набивки 120 должны содержать проходы (пустоты или промежутки), через которые может протекать технологический поток. Обычно проходы или пустоты в пустотелых элементах набивки 120 составляют по меньшей мере примерно 40 об.%, предпочтительно по меньшей мере примерно 50 об.%, более предпочтительно по меньшей мере примерно 80 об.% и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 95 об.% от общего объема элементов набивки 120. Соответственно отношение величины поверхности к объему у структур 120 меньше, чем у биологически активных элементов 110.To achieve maximum contact between the process stream and the biomass on the
Как показано на фиг.3, биологически активные элементы 110 состоят из субстрата 114 и одного или более типов микроорганизмов 112, обычно аэробных или анаэробных, которые способны к превращению по меньшей мере одного из веществ, содержащихся в стоках, на поверхности, внутри или и на поверхности и внутри субстрата 114. Относительное расположение и соотношение биологически активных элементов 110, пустых или практически пустых областей 115 в биомассе 116 и пустотелых элементов набивки 120 критичны для реализации преимуществ данного изобретения. Соотношения компонентов в слое набивки и их расположение должны быть оптимизированы для создания контакта между технологическим потоком сырья и всей или частью внешней или внутренней поверхности биологически активных элементов 110.As shown in FIG. 3, the biologically
Хотя авторы не хотели связывать себя какой-либо теорией, было предположено, что расположение и соотношение компонентов слоя набивки приводят к повышенному массопереносу в системе газ/жидкость/твердое вещество и их распределению и поэтому улучшают контакт между разлагаемым веществом в технологическом потоке и микробами 112 на поверхности, внутри или и на поверхности и внутри субстрата 114 в элементах 110. Это повышает эффективность способа биоразложения. Преимуществом улучшенного распределения жидкости является то, что способ биоразложения, аппаратура и биомасса согласно данному изобретению более эффективны, чем аналогичные способ, аппаратура и биомасса предшествующего уровня техники, при котором в реакторе отсутствовали пустотелые элементы набивки, такие как описанные в патентах США №№4576718 и 4983299 и РСТ WO 90/11970. Более того, данные показывают, что еще одно преимущество по сравнению со способами, реакторами и биомассой предшествующего уровня техники состоит в том, что улучшеное распределение обеспечивает лучшее сопротивление сбоям в работе реактора, как это объяснено ниже.Although the authors did not want to be bound by any theory, it was suggested that the location and ratio of the components of the packing layer lead to increased mass transfer in the gas / liquid / solid system and their distribution and therefore improve the contact between the decomposed substance in the process stream and
В целом настоящее изобретение предлагает значительное повышение производительности реактора по сравнению с другими реакторами без пустотелых элементов набивки 120. Например, относительные соотношения и локализация элементов 110 и пустотелых элементов набивки 120 в биомассе 116 реактора 100 согласно данному изобретению таковы, что объемная скорость удаления по меньшей мере одного (загрязняющего) вещества из технологического потока сырья при времени контакта примерно 10 ч больше скорости в другом реакторе с набивкой без пустотелых элементов 120, но другой конфигурации, и компоненты работают таким же образом, как и в реакторе 100 данного изобретения, даже если количество активных элементов 110 в этом другом реакторе равно сумме количества элементов набивки 120 и количества активных элементов 110 в реакторе данного изобретения. Предпочтительно, чтобы относительная локализация и соотношения элементов 110 и пустотелых элементов набивки 120 были таковы, чтобы объемная скорость удаления (загрязняющих) веществ с помощью реактора по настоящему изобретению была больше примерно на 10%, предпочтительно более чем примерно на 20%, более предпочтительно равна или больше примерно на 30% и наиболее предпочтительно более примерно на 50-100%, чем скорость удаления в другом реакторе, в котором слой набивки состоит только из активных элементов 18 и не содержит пустотелых элементов набивки 120. Элементы 110 и пустотелые элементы набивки 120 предпочтительно сближать друг с другом, чтобы по меньшей мере примерно 50% величины внутренней и внешней поверхности по меньшей мере примерно 50% общего числа биологически активных элементов 110 располагались рядом со слоем, включающим пустотелые элементы набивки 120, так чтобы активные элементы 110 находились в контакте с технологическим потоком сырья, протекающим через элементы набивки 120. В более предпочтительных вариантах изобретения активные элементы 110 и пустотелые элементы набивки 120 расположены таким образом, что по меньшей мере примерно 60% внутренней и внешней поверхности по меньшей мере примерно 60% общего числа активных элементов 110 находятся рядом со слоем, который включает пустотелые элементы набивки 120, в результате чего активные элементы 110 контактируют с технологическим потоком сырья, протекающим через элементы набивки 120. В наиболее предпочтительных вариантах изобретения активные элементы 110 и пустотелые элементы набивки 120 сближают друг относительно друга, так чтобы по меньшей мере примерно 80% общего числа биологически активных элементов 110 находились рядом со слоем, который включает пустотелые элементы набивки 120, и в результате активные элементы 110 контактируют с технологическим потоком сырья, протекающим через элементы набивки 120.In General, the present invention offers a significant increase in reactor productivity compared to other reactors without
Биомасса 116 содержит эффективное количество диспергированных в ней пустотелых элементов набивки 120. Использованный здесь термин «эффективное количество пустотелых элементов набивки 120» означает количество, способное увеличить распределение газ/жидкость/твердое вещество в биомассе 116 и объемную скорость удаления при времени контакта примерно 10 ч по сравнению с аналогичной биомассой только или практически только в активных элементах 110. В принципе количество пустотелых элементов набивки 120 можно определить в терминах процента объема биомассы в объеме 115. В предпочтительных вариантах изобретения общая доля объема слоя набивки 102, состоящего из пустотелых элементов набивки 120, составляет примерно 30-90 об.%, а остальная доля объема приходится только или практически только на биологически активные элементы 110. В особенно предпочтительных вариантах изобретения общий % объема слоя набивки 102 в реакторе, занятого пустотелыми элементами набивки 120, составляет 80-40 об.%, а остальная доля объема приходится только или практически только на активные элементы 110. В наиболее предпочтительных вариантах изобретения общий % объема слоя набивки 102 в реакторе, занятого пустотелыми элементами набивки 120, составляет 50-70 об.%, а остальная доля объема приходится преимущественно на активные элементы 110.Biomass 116 contains an effective amount of
Структура и состав структурных пустотелых элементов набивки 120 может варьироваться в широком интервале при условии, что будут получены нужные результаты по активизации биоразложения и достижению большей устойчивости к колебаниям концентрации в водах, поступающих на очистку. Единственное требование состоит в том, чтобы материал элементов 120 не был реакционноспособным и был пригоден для использования в реакторе, в частности, в процессах с участием микробов. Например, пустотелые элементы набивки 120 могут быть изготовлены из органических или неорганических веществ. Примерами неорганических материалов, пригодных для изготовления пустотелых элементов набивки, являются керамика, такая как бентонит, каолинит, кизельгур, диатомитовая земля, алюминий, оксид кремния, оксид циркония, титанат бария, синтетические карбиды, синтетические нитриды и синтетические бориды, стекла, такие как натриево-кальциево-силикатные стекла, свинцовые стекла, боросиликатные стекла, лазерные стекла, стекла на основе оксида кремния и стеклокерамика и т.п. Подходящие органические вещества для изготовления элементов набивки включают полимеры, такие как полиамиды, полиэфиры, полиэфиркарбонаты, поликарбонаты, полиолефины и т.п. Предпочтительно, чтобы структуры 22 были сформованы из жесткого пластика типа полипропилена или полиэтилена.The structure and composition of the structural hollow elements of packing 120 may vary over a wide range, provided that the desired results are obtained by enhancing biodegradation and achieving greater resistance to concentration fluctuations in the waters entering the treatment. The only requirement is that the material of the
Форма элементов набивки может варьироваться в широких пределах; единственное требование состоит в том, чтобы их форма имела достаточное количество открытого пространства внутри или вокруг них, чтобы во время работы в набивке существовали проходы для обеспечения протока жидкости через реактор. Элементы набивки 120, используемые в практике данного изобретения, имеют вид частиц. Использованный здесь термин «в виде частиц» означает просто, что размер элементов набивки меньше, чем размер выбранного реактора, который может содержать множество элементов набивки. Размер и форма пустотелых элементов набивки могут различаться по длине, толщине, ширине, диаметру или другим размерным параметрам. Например, набивка может быть в виде частиц регулярной формы, такой как кубы, стержни, прямоугольники, цилиндры и гексагональные частицы и т.п., или они могут иметь нерегулярную форму. Размер частиц (длина, толщина, ширина и диаметр или эквивалентный диаметр для структуры нерегулярной формы) может варьироваться в широком диапазоне и не является критичным, но зависит от размера реактора. Размер частиц предпочтительно составляет примерно 0.10-12 дюйм для реактора диаметром 20 фут, и для бóльших или меньших реакторов можно использовать соответствующее масштабирование. Более предпочтительные размеры частиц составляют примерно 0.5-5 дюйм и наиболее предпочтительные размеры частиц составляют примерно 0.75-3 дюйм, причем для реактора диаметром 20 фут выбирают размер частиц примерно 1.0-2.0 дюйм.The shape of the packing elements can vary widely; the only requirement is that their shape has a sufficient amount of open space inside or around them, so that during operation in the packing there are passages to allow fluid to flow through the reactor. The packing
Биологически активные элементы 110, используемые в практике данного изобретения, тоже имеют вид частиц. Использованный здесь термин «в виде частиц» означает просто то, что размер элементов 110 меньше размера реактора 100 и в результате реактор 100 может содержать множество элементов 110. Размер и форма элементов 110 могут сильно различаться по длине, толщине, ширине и диаметру. Например, элементы 110 могут быть в виде частиц регулярной формы, такой как кубическая, в виде стержней, прямоугольная, цилиндрическая, гексагональная и т.п., или могут иметь нерегулярную форму. Размер частиц (длина, толщина, ширина и диаметр для регулярной формы 110 и эквивалентный диаметр для элементов нерегулярной формы) может варьироваться в широком диапазоне и не является критичным, но зависит от размера реактора. Размер частиц предпочтительно составляет примерно 0.10-12 дюйм для реактора диаметром 20 фут. Более предпочтительные размеры частиц составляют примерно 0.5-5 дюйм и наиболее предпочтительные размеры частиц составляют примерно 0.75-3 дюйм, причем для реактора диаметром 20 фут выбирают размер частиц примерно 1.0-2.0 дюйм.The biologically
Одним из критичных требований к элементам 110 является то, чтобы отношение величины поверхности к объему (с учетом как внутренней, так и внешней поверхностей) было больше, чем у пустотелых элементов набивки 120. Чем больше разница в этом соотношении, тем более эффективным является способ. Соответственно рекомендуется выбирать пустотелые элементы набивки 120 и активные элементы 110 таким образом, чтобы разница в отношениях величины поверхности к объему была максимально большой при сохранении в то же время необходимого относительного расположения и соотношения элементов 110 и пустотелых элементов набивки 120 в биомассе 116. Предпочтительно, чтобы соотношение внутренней и внешней поверхностей у элементов 110 было по меньшей мере примерно в 20 раз больше, чем у пустотелых элементов набивки 120, более предпочтительно по меньшей мере примерно в 10 раз и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно в 5 раз больше, чем у пустотелых элементов набивки 120.One of the critical requirements for
Биологически активные элементы 110 включают субстрат 114, как показано на фиг.3, и субстрат 114 предпочтительно является пористым. Это позволяет технологическому потоку протекать внутрь элементов 110 и продвигаться через них. В предпочтительных вариантах изобретения субстрат 114 включает примерно 2-60 пор на линейный дюйм («ppi»). Более предпочтительно, чтобы число пор на линейный дюйм составляло примерно 5-30 и наиболее предпочтительно примерно 10-20. В выбранных вариантах число пор на линейный дюйм равно примерно 10-15.Biologically
Предпочтительно, чтобы субстрат 114 был устойчив к усилиям, возникающим в реакторе, например к усилиям сдвига или истирания, и предпочтительно обладал большой прочностью к дроблению. В предпочтительных вариантах изобретения для достижения оптимального экономического эффекта субстрат 114 является полуэластичным с плотностью примерно 2 фунта на кубический фут. Однако можно использовать и субстраты с большей плотностью, примерно 4-5 фунта на кубический фут и даже больше. Следует понимать, что плотность субстрата определяет экономику изобретения, но не его рабочий режим; изобретение может быть внедрено в практику при широком наборе плотностей субстрата, даже если разные интервалы будут иметь разные экономические показатели.Preferably, the
Количество субстрата 114 в биологически активных элементах 110 может широко варьироваться. Обычно количество субстрата 114 составляет примерно 50-95 мас.% в расчете на общую массу биологически активных элементов 110. В предпочтительных вариантах изобретения количество субстрата 114 составляет примерно 70-85 мас.%, рассчитанных, как указано выше.The amount of
Субстрат 114 изготовляют из любых веществ, способных образовать биологически активные элементы 110. Пригодные вещества включают неорганические вещества и органические пластики. Примерами пригодных веществ для изготовления субстратов 114 являются синтетические и природные полимеры, такие как полиамиды, например, поли(гексаметиленадипамид) (нейлон 66), поли(4-аминомасляная кислота) (нейлон 4), поли(6-аминогексановая кислота) (нейлон 6), поли(гексаметиленсебацамид) (нейлон 6,10) и т.п.; полиэфиры, такие как поли(этилентерефталат), поли(бутилентерефталат), поли(1,4-циклогександиметилентерефталат) и т.п.; полиолефины, такие как полиэтилен, полипропилен, поли(4-метилиентен), полистирол и т.п.; поливиниловые производные, такие как поливиниловый спирт, поли(винилметиловый эфир), поли(винилметилкетон), поли(винилпирролидон) и т.п.; полиакрилаты, такие как полиакриловая кислота, полиметакриловая кислота, поли(метилакрилат), поли(метилметакрилат), полиакрилонитрил, полиакриламид, поли(метакриламид) и т.п. Другие полимерные вещества, пригодные для получения полимерного субстрата, включают полиуретаны, такие как полимеры, получаемые по реакции диизоцианатов типа толуолдиизоцианатов, дифенилметандиизоцианатов, гексаметилен-1,6-диизоцианата, дициклогексилметандиизоцианата, 1,5-нафталиндиизоцианата, п-фенилендиизоцианата, м-фенилендиизоцианата, 2,4-толуолдиизоцианата, 4,4'-дифенилметандиизоцианата, 3,3'-диметил-4,4'-дифенилметандиизоцианата, 3,3'-диметил-4, 4'-дифенилдиизоцианата, 4,4'-дифенилизопропилидендиизоцианата, 3,3'-диметил-4,4'-дифенилдиизоцианата, 3,3'-диметил-4,4'-дифенилметандиизоцианата, 3,3'-диметокси-4,4'-дифенилдиизоцианата, дианизидиндиизоцианата, толуидиндиизоцианата, гексаметилендиизоцианата, 4,4'-диизоцианатодифенилметан и т.п. с диолами, такими как глицерин, триметилолпропан, 1,2,6-гексантриол, метилгликозидпентаэритрит, сорбит, этиленгликоль, диэтиленгликоль, а также с полиэфирами, содержащими терминальные гидроксильные группы, получаемыми прямой этерификацией дикарбоновой кислоты избытком бифункционального спирта, такими как поли(тетраметиленадипат), поли(этиленадипат), поли(1,4-бутиленадипат), поли(1,5-пентиленадипат), поли(1,3-бутиленадипат), поли(этиленсукцинат), поли(2,3-бутиленсукцинат), с полиэфирдиолами, такими как получаемые по реакции исходного соединения, содержащего активные атомы водорода, такого как диспирты, полиспирты, дифенолы, алифатические диамины или полиамины или ароматические диамины или полиамины, а также этилендиамин, диэтилентриамин и 4,4-фенилметандиамин, с алкиленоксидами, такими как стиролоксид, бутиленоксид, пропиленоксид, эпихлоргидрин или смеси этих алкиленоксидов.The
В предпочтительных вариантах данного изобретения субстрат 114 изготавливают из эластичной, полуэластичной или жесткой полимерной пены. Более предпочтительным полимерным материалом для субстрата в данном изобретении является эластичная пена с открытыми ячейками и относительно высокой проницаемостью для технологического потока жидкости, по меньшей мере примерно 60%, предпочтительно по меньшей мере примерно 75%, более предпочтительно по меньшей мере примерно 85% и наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 95%. Пена, используемая в практике данного изобретения в конфигурации неподвижного слоя, должна быть способна принимать в себя технологический поток. Наконец, важно, чтобы пена обладала структурой пересекающихся пор, с тем чтобы пустоты в пене составляли желательно по меньшей мере примерно 40 об.% и могли доходить до примерно 98 об.%.In preferred embodiments of the invention, the
Предпочтительно, чтобы пустоты в пене субстрата 114 составляли порядка примерно 40-98 об.% ее объема, более предпочтительно примерно 60-96 об.% и наиболее предпочтительно примерно 85-95 об.%. «Эластичные ячеистые полимерные материалы» обычно легко сжимаются. Использованный здесь термин «эластичные ячеистые полимерные материалы» относится к ячеистому органическому полимерному материалу, который не будет ломаться, если однослойный образец 200×25×25 мм пятикратно изгибать вокруг оправки диаметром 25 мм с постоянной скоростью при температуре 18-29°С, в соответствии со стандартами ASTM D 1565, D 1667, D 3574 и D 3575. Благодаря эластичности субстраты сами по себе имеют тенденцию к агломерации и теряют первоначальную форму под давлением, которое может создаваться под действием выталкивающей силы, когда указанные элементы пропитываются жидкостью с большей плотностью, чем их собственная, что приводит к уменьшению эффективного отношения величины поверхности к объему и препятствует прохождению технологического потока через указанные элементы и вокруг них, уменьшая таким образом скорость массопереноса при работе реактора. При добавлении слоев пустотелых элементов 120 агломерация эластичных элементов 110 заметно уменьшается.Preferably, the voids in the foam of
Теоретически можно предположить, что повышенный поток жидкости через элементы 110 и вокруг них и пониженные выталкивающие силы, действующие на элементы, приведут к более эффективному биоразложению и/или повышенной устойчивости реактора к сбою из-за колебаний концентрации примесей в потоке сырья по сравнению со способом или реактором, в котором используют только элементы 110 без пустотелых элементов набивки 120.Theoretically, it can be assumed that an increased fluid flow through and around
В более предпочтительных вариантах данного изобретения субстрат 114 изготавливают из полиуретанов с открытыми ячейками, таких как поперечно-сшитые полимеры, которые можно вспенить с помощью подходящего пенного реагента, такого как азот, гелий, диоксид углерода, диамид азоугольной кислоты и т.п., с образованием пены с открытыми ячейками, структура пустот в которой описана выше. В этих предпочтительных вариантах изобретения субстрат 114 можно изготовить и вспенить в присутствии выбранных микроорганизмов при отсутствии отрицательного воздействия на них.In more preferred embodiments of the invention,
В особенно предпочтительных вариантах изобретения субстрат 114 получают из поперечно-сшитых гидрогелей полиуретанов. Такие вещества доступны в промышленности или их получают по известным методикам. Например, такие вещества можно получить по реакции предварительно полученных полиизоцианатов с водой (в которой необязательно содержатся диамины или полиамины в качестве реагентов, увеличивающих длину цепи, или реагентов для поперечного сшивания) или по реакции подходящего полиола с соответствующим диизоцианатом или полицианатом. Подходящие полиолы включают алифатические диолы с длинной цепью и эфиры полиоксиалкиленов. Предварительно полученные полиизоцианаты содержат концевые изоцианатные группы, и их получают по реакции эфиров полиоксиалкиленов с избытком диизоцианата или полиизоцианатов. Примеры пригодных эфиров полиоксиалкиленов включают соединения с молекулярной массой примерно 500-10000, предпочтительно примерно 2000-8000, и они содержат по меньшей мере два активных атома водорода и по меньшей мере 30 мас.% оксиэтиленовых групп в расчете на общую массу полиэфира. Другие пригодные оксиалкиленовые группы включают оксипропилен, оксибутилен и т.п. Полиэфиры этого типа получают по реакции соединений, содержащих реакционноспособные атомы водорода, таких как диспирты, полиспирты, дифенолы, полифенолы, алифатические диамины, алифатические полиамины, ароматические диамины или ароматические полиамины, с подходящим алкиленоксидом, таким как этиленоксид, пропиленоксид, бутиленоксид, оксид стрирола и т.п. Подходящие диизоцианаты включают толуол-4,4'-диизоцианат, толуол-2,4-диизоцианат, толуол-2,2-диизоцианат, дифенилметан-4,4'-диизоцианат, дифенилметан-2,4'-диизоцианат, дифенилметан-2,2'-диизоцианат, толуол-2,6-диизоцианат, гексаметилен-1,6-диизоцианат, а соответствующие диамины и полиамины включают алифатические, циклоалифатические и ароматические ди- и полиамины, такие как этилендиамин, гексаметилендиамин, диэтилентриамин, гидразин, гуанидин, карбонат, N,N'-диизопропилгексаметилендиамин, 1,3-бисаминометилбензол, N,N'-бис-(2-аминопропил)этилендиамин, N,N'-(2-аминоэтил)этилендиамин, 4,4'-диаминодифенилметан, 4,4'-диметиламино-3,3'-диметилдифенилметан, 2,4'-диаминодифенилметан, 2,4-диаминотолуол, 2,6-диаминотолуол и т.п.In particularly preferred embodiments of the invention,
Биологические активные элементы 110 могут включать разные необязательные ингредиенты, такие как вещества с катионными группами. Примерами таких веществ являются обычные ионообменные смолы с катионными группами или другие полимеры, структуры которых содержат положительно заряженные атомы азота, например, эфиры полиаминокарбоновых кислот с катионными группами, полиакриламиды с катионными группами, полиэтиленимины с катионными группами, сополимеры акрилонитрила, стирола и диметиламиноэтилметакрилата с катионными группами, и продукты конденсации диэтилентриамина и малеинового ангидрида с катионными группами, содержащие катионные группы сополимеры изобутилена и малеинового ангидрида с последующим имидированием подходящими диаминами. Содержание полимеров с катионными группами в композиции согласно изобретению может варьироваться в широких пределах и обычно составляет примерно 0.2-20 мас.% в расчете на общую массу биологически активных частиц, предпочтительно примерно 0.5-15 мас.% и наиболее предпочтительно примерно 1-10 мас.% в расчете на общую массу реакционной смеси для изготовления композиции. Примерами других необязательных компонентов, которые можно использовать в практике данного изобретения, являются вещества, повышающие плотность, такие как барит, порошок металла, порошок резины, порошок глины, порошок пемзы, порошок стекла, порошок, полученный из косточек и скорлупы оливок и орехов, и горная мука; вещества, понижающие плотность, такие как малые глобулы полистирола, древесный порошок, порошок из отходов пластика, полые микрошарики и чешуйки полиэтиленовой пены; красители, такие как красящие пигменты, и краски; короткие волокна органической или неорганической основы, такие как стекловолокна и гелеобразующие макромолекулярные вещества, такие как разновидности целлюлозы, альгината, крахмала и карагена.Biological
Например, в одном предпочтительном варианте данного изобретения субстрат 28 получают из «гидрофобных полиуретанов», которые являются поглотителями для органических веществ типа фенола. Использованный здесь термин «гидрофобные полиуретаны» означает семейство полимеров с повторяющимися уретановыми группами формулы: -N(H)C(O)O- или -N(Н)С(NH)О-, предпочтительно формулы: -N(H)C(O)O-.For example, in one preferred embodiment of the invention, substrate 28 is prepared from "hydrophobic polyurethanes" which are absorbers for organic substances such as phenol. As used herein, the term “hydrophobic polyurethanes” means a family of polymers with repeating urethane groups of the formula: —N (H) C (O) O— or —N (H) C (NH) O—, preferably of the formula: —N (H) C ( O) O-.
Гидрофобные полиуретаны не смачиваются водой. То есть капля воды на поверхности полиуретана имеет контактный угол более 0.0 градусов и предпочтительно более 90 градусов по показаниям гониометра. В предпочтительных вариантах изобретения гидрофобные уретаны характеризуются мольным отношением атомов углерода и водорода к атомам кислорода и азота в основной цепи полимера более 1.4. Верхний уровень гидрофобности полиуретана не является критичным, и в целом предпочтительны гидрофобные полиуретаны с более высокой гидрофобностью. В таких предпочтительных вариантах гидрофобные полиуретаны выбирают таким образом, чтобы мольное отношение атомов углерода и водорода к атомам кислорода и азота было равно или больше примерно 2.5. Среди более предпочтительных вариантов изобретения наиболее предпочтительны такие, в которых мольное отношение атомов углерода и водорода к атомам кислорода и азота равно или больше примерно 3.0.Hydrophobic polyurethanes are not wetted by water. That is, a drop of water on the surface of the polyurethane has a contact angle of more than 0.0 degrees and preferably more than 90 degrees according to the goniometer. In preferred embodiments of the invention, hydrophobic urethanes are characterized by a molar ratio of carbon and hydrogen atoms to oxygen and nitrogen atoms in the polymer backbone of greater than 1.4. The upper level of hydrophobicity of the polyurethane is not critical, and generally hydrophobic polyurethanes with higher hydrophobicity are preferred. In such preferred embodiments, the hydrophobic polyurethanes are selected so that the molar ratio of carbon and hydrogen atoms to oxygen and nitrogen atoms is equal to or greater than about 2.5. Among the more preferred embodiments of the invention, those in which the molar ratio of carbon and hydrogen to oxygen and nitrogen atoms is equal to or greater than about 3.0 are most preferred.
Примерами подходящих гидрофобных полиуретанов являются описанные выше полиуретаны, в которых мольные количества реагентов - полиизоцианата и полиола - выбирают такими, чтобы достичь нужной гидрофобности. Адсорбция и/или абсорбция веществ в потоке сырья, таких как замещенные и незамещенные фенолы, на поверхности и внутри полиуретановой пены зависят как от типа использованного полиола, так и доли поперечно-сшитых изоцианатов в пене. В предпочтительных вариантах изобретения ароматические изоцианаты и/или полиолы характеризуются повышенным отношением углерода и водорода к кислороду, такие как полиолы, содержащие повышенное число атомов углерода, как в полиэфире пропиленгликоля и в других полиолах с подвешенными алифатическими группами. В наиболее предпочтительных вариантах в гидрофобной полиуретановой пене лучше увеличивать количество ароматических групп, конкретно ароматических изоцианатов, для улучшения гидрофобных характеристик полимера. Предпочтительно, чтобы гидрофобные фрагменты из полиуретана одного или более типов содержали более примерно 15 мас.% ароматического изоцианата и менее примерно 85 мас.% фрагментов из полиэфира алкиленгликоля одного или более типов, причем по меньшей мере примерно 40 мас.% фрагментов из диола должны быть введены из таких гликолей, в которых повторяющиеся алкиленовые группы включают более трех атомов углерода, особенно поли(пропиленоксида). Среди этих предпочтительных вариантов изобретения более предпочтительны такие, в которых гидрофобный полимер содержит по меньшей мере 50 мас.% полиэфира алкиленгликоля и более примерно 20 мас.% ароматического изоцианата. В особенно предпочтительных вариантах содержание полиола в гидрофобном полиуретане составляет по меньшей мере 80 мас.%, из которых менее примерно 60 мас.% представляет полиэтиленгликоль и менее примерно 25 мас.% ароматический изоцианат.В еще более предпочтительных вариантах полимер содержит более примерно 70 мас.% полиэтиленоксида и менее примерно 30 мас.% ароматического изоцианата.Examples of suitable hydrophobic polyurethanes are the polyurethanes described above, in which molar amounts of the polyisocyanate and polyol reagents are selected so as to achieve the desired hydrophobicity. The adsorption and / or absorption of substances in a feed stream, such as substituted and unsubstituted phenols, on the surface and inside of the polyurethane foam depends on both the type of polyol used and the proportion of cross-linked isocyanates in the foam. In preferred embodiments of the invention, aromatic isocyanates and / or polyols are characterized by an increased ratio of carbon and hydrogen to oxygen, such as polyols containing an increased number of carbon atoms, such as in propylene glycol polyester and in other polyols with suspended aliphatic groups. In the most preferred embodiments, in a hydrophobic polyurethane foam it is better to increase the number of aromatic groups, specifically aromatic isocyanates, to improve the hydrophobic characteristics of the polymer. Preferably, the hydrophobic fragments of one or more types of polyurethane contain more than about 15 wt.% Of aromatic isocyanate and less than about 85 wt.% Of fragments of one or more types of alkylene glycol polyester, with at least about 40 wt.% Of the fragments from diol introduced from such glycols in which repeating alkylene groups include more than three carbon atoms, especially poly (propylene oxide). Among these preferred embodiments of the invention, more preferred are those in which the hydrophobic polymer contains at least 50 wt.% Alkylene glycol polyester and more than about 20 wt.% Aromatic isocyanate. In particularly preferred embodiments, the polyol content in the hydrophobic polyurethane is at least 80 wt.%, Of which less than about 60 wt.% Is polyethylene glycol and less than about 25 wt.% Aromatic isocyanate. In even more preferred embodiments, the polymer contains more than about 70 wt. % polyethylene oxide and less than about 30 wt.% aromatic isocyanate.
Используемые в практике данного изобретения анаэробные или аэробные микроорганизмы 112, которые выбирают для разложения целевых веществ в потоке сырья данным способом, хорошо известны специалистам в данной области. Микроорганизмы можно использовать в виде чистого штамма или в смеси микроорганизмов. Хотя анаэробные микроорганизмы часто разлагают вредные примеси медленнее, чем аэробные, анаэробный способ может быть востребован для разложения вредной примеси или промежуточного продукта аэробного способа до уровня нетоксичности или до безвредного вещества. Можно использовать широкий набор разных микроорганизмов 112, и это могут быть природные микроорганизмы 112 или генетически модифицированные микроорганизмы 112. Единственным требованием является то, что микроорганизмы 112 должны быть способны к разложению вредных примесей до необходимого уровня на выходе в течение нужного промежутка времени. В предпочтительных вариантах изобретения микроорганизмы 112 получают из сточных вод, содержащих вредные примеси, или из почвы, которая была в контакте со сточными водами.Used in the practice of this invention, anaerobic or
В способе потоки жидкости, например поток жидкого сырья, содержащий одно или более веществ, подвергающихся биоразложению, вводят в реактор 100 через распределитель на входе 130, пропускают через реактор 100 и выводят из реактора через выход 134 со скоростью, достаточной для уменьшения концентрации по меньшей мере одного из вредных веществ в отходящем потоке до нужных величин. Способ данного изобретения можно проводить в аэробных или анаэробных условиях. В предпочтительных вариантах изобретения с применением аэробных микробов способ осуществляют в аэробных условиях в присутствии газа, содержащего эффективное количество кислорода. В предпочтительном варианте важно, чтобы реактор 100 содержал необходимое количество кислорода для нужного микробного метаболизма и разложения вредных примесей. Количество кислорода, необходимое в разных ситуациях, варьируется в широком диапазоне и будет зависеть в значительной степени от потребностей конкретных микроорганизмов, используемых в способе, а также других факторов, известных специалистам в данной области. В целом количество кислорода, распределенного в технологическом потоке сырья, составляет примерно 2 мг кислорода на литр водного сырья. В предпочтительных вариантах изобретения количество кислорода составляет примерно 5-10 мг/л сырья и в наиболее предпочтительных вариантах изобретения количество кислорода равно примерно 6-8 мг/л сырья. В предпочтительных вариантах данного изобретения газ равномерно или практически равномерно распределен по всей биологически активной биомассе или ее части. Способ подачи газа в реактор 100 может быть разным. Газ можно подавать в реактор 100 традиционными способами. Например, в вертикальном реакторе или в реакторе с восходящим потоком 100 на фиг.2 газ подают в реактор 100 со дна реактора 100 через диффузор 138 в виде мелких пузырьков и выводят из биореактора через выход 132. Газ можно вводить при желании в разных точках по длине реактора 100 по вертикали (не показаны). В варианте изобретения на фиг.1, в котором реактор 100 является горизонтальным, газ можно подавать по длине горизонтального реактора в разных точках для достижения практически равномерного распределения газа в потоке сырья в реакторе 100. В этом варианте восходящий поток газа движется перпендикулярно или практически перпендикулярно направлению потока жидкого сырья от диффузора 130 до бокового отвода 134. В наиболее предпочтительных вариантах изобретения реактор 100 является горизонтальным, при этом газ равномерно или практически равномерно распределяется по всему или практически всему реактору 100. В этих наиболее предпочтительных вариантах газ подают в реактор 100 по горизонтальной длине реактора 100, как показано на фиг.1. При таком способе достигается более равномерное распределение газа в потоке сырья.In the method, liquid flows, for example, a liquid feed stream containing one or more biodegradable substances, are introduced into the
Температуры осуществления способа могут варьироваться в широком интервале и будут зависеть от выбора конкретных микроорганизмов. В целом способ осуществляют при температуре достаточно высокой, чтобы обеспечить метаболизм микроорганизмов, и достаточной низкой, чтобы не убивать микроорганизмы. Способ обычно проводят при температурах примерно 5-65°С. Предпочтительно проводить способ в интервале примерно 15-65°С, более предпочтительно примерно 20-40°С и наиболее предпочтительно примерно 25-35°С.The temperature of the implementation of the method can vary in a wide range and will depend on the choice of specific microorganisms. In General, the method is carried out at a temperature high enough to ensure the metabolism of microorganisms, and low enough not to kill microorganisms. The method is usually carried out at temperatures of about 5-65 ° C. It is preferable to carry out the method in the range of about 15-65 ° C, more preferably about 20-40 ° C, and most preferably about 25-35 ° C.
В данном способе жидкий поток обрабатывают в течение времени, достаточного для снижения концентрации по меньшей мере одного из веществ в выходящем потоке до нужной величины. В целом для потоков жидкого сырья, в которых концентрация по меньшей мере одного вещества равна или меньше примерно 12000 м.д. (предпочтительно равна или меньше примерно 6000 м.д., более предпочтительно равна или меньше примерно 3000 м.д., более предпочтительно равна или меньше примерно 2000 м.д.), время контакта, равное или меньше примерно 200 ч, предпочтительно равное или меньше примерно 100 ч, более предпочтительно равное или меньше примерно 20 ч и наиболее предпочтительно равное или меньше 10 ч, является достаточным для снижения концентрации по меньшей мере одного вредного вещества в выходящем потоке до величины примерно 100 частей на миллион (м.д.), предпочтительно равной или менее примерно 10 м.д., более предпочтительно равной или менее примерно 1 м.д., наиболее предпочтительно равной или менее примерно 0.1 м.д. Согласно федеральному или государственному регулированию, концентрации этих веществ на выходе должны быть выбраны равными или меньше примерно 0.02 м.д. Конкретное время контакта в способе зависит от множества факторов, включая среди прочего количество и тип органических веществ в сырье, рабочую температуру, присутствие других веществ в сырье и плотность микроорганизмов в реакторе.In this method, the liquid stream is treated for a time sufficient to reduce the concentration of at least one of the substances in the effluent to the desired value. In General, for flows of liquid raw materials in which the concentration of at least one substance is equal to or less than about 12000 ppm (preferably equal to or less than about 6000 ppm, more preferably equal to or less than about 3000 ppm, more preferably equal to or less than about 2000 ppm), contact time equal to or less than about 200 hours, preferably equal to or less than about 100 hours, more preferably equal to or less than about 20 hours, and most preferably equal to or less than 10 hours, is sufficient to reduce the concentration of at least one harmful substance in the effluent to about 100 ppm (ppm), preferably equal to sludge less than about 10 ppm, more preferably equal to or less than about 1 ppm most preferably equal to or less than about 0.1 ppm According to federal or state regulation, the concentration of these substances at the outlet must be chosen equal to or less than about 0.02 ppm. The specific contact time in the process depends on many factors, including, but not limited to, the amount and type of organic substances in the feed, the operating temperature, the presence of other substances in the feed, and the density of microorganisms in the reactor.
Варианты данного способа обладают повышенной устойчивостью к «сбою». «Сбой» означает обычно скачок концентрации вредной примеси, удаляемой в реакторе. Обычно такие измененные концентрации перемещаются вдоль реактора и измеряются как соответствующий скачок концентрации вредной примеси в отходящем потоке из реактора. Когда происходят такие скачки или изменения и соответствующие вариации в концентрации вещества в отходящем потоке минимальны или нивелируются, говорят, что реактор устойчив к сбою. В вариантах изобретения реакторы устойчивы к сбою. Таким образом, когда концентрация загрязняющего вещества или вредной примеси во входящем потоке изменяется на некоторую величину, концентрация вредной примеси в отходящем потоке обычно увеличивается на величину меньше или равную примерно 25% от величины исходного изменения за время, соответствующее времени одного гидравлического контакта (HRT). Более предпочтительно, чтобы изменение в отходящем потоке составляло менее или было равно примерно 10% от повышения концентрации во входящем потоке за время одного HRT или менее. Наиболее предпочтительно, чтобы концентрация на выходе увеличивалась на величину, меньшую или равную примерно 1% от увеличения концентрации на входе, в течение примерно одного HRT или менее.Variants of this method have increased resistance to "failure". "Failure" usually means a jump in the concentration of harmful impurities removed in the reactor. Typically, such altered concentrations move along the reactor and are measured as the corresponding jump in the concentration of harmful impurities in the effluent from the reactor. When such jumps or changes occur and the corresponding variations in the concentration of the substance in the exhaust stream are minimal or leveled, they say that the reactor is resistant to failure. In embodiments of the invention, the reactors are fault tolerant. Thus, when the concentration of a pollutant or a harmful impurity in an inlet stream changes by a certain amount, the concentration of a harmful impurity in an exhaust stream usually increases by a value less than or equal to about 25% of the value of the initial change in a time corresponding to the time of one hydraulic contact (HRT). More preferably, the change in the effluent is less than or equal to about 10% of the increase in concentration in the inlet during one HRT or less. Most preferably, the concentration at the outlet increases by less than or equal to about 1% of the increase in concentration at the entrance, for about one HRT or less.
Потоки, которые можно обрабатывать по способу данного изобретения, могут быть очень разными. Например, такие потоки могут быть потоками газа, содержащими одно или более веществ, или это могут быть потоки жидкости. В предпочтительных вариантах данного изобретения жидкие или водные потоки содержат одно или более растворенных или суспендированных веществ. Вредные примеси, содержащиеся в таких потоках, могут быть разными. Единственное требование заключается в том, чтобы по меньшей мере одно из веществ могло разлагаться или участвовать в метаболизме аэробных или анаэробных микроорганизмов. Например, эти вещества могут представлять собой неорганические азотсодержащие соединения, такие как аммиак и нитраты. Эти вещества могут быть также органическими. Примерами таких вредных органических примесей являются фенолы, такие как фенол, крезолы, резорцины, катехин, галогенированные фенолы, как, например, 2-хлорфенол, 3-хлорфенол, 4-хлорфенол, 2,4-дихлорфенол, пентахлорфенол, нитрофенолы типа 2-нитрофенола и 4-нитрофенола и 2,4-диметилфенол. Другой важный класс органических важных примесей включает ароматические углеводороды, такие как бензол, толуол, ксилолы, этилбензол и т.д. Полиядерные ароматические углеводороды составляют важный подкласс и представлены нафталином, антраценом, хризеном, аценафтиленом, аценафтеном, фенантреном, флуореном, флуорантеном, нафтаценом и пиреном. Другими такими веществами являются галогенированные алканы типа трихлорэтана и т.п.The streams that can be processed by the method of the present invention can be very different. For example, such streams may be gas streams containing one or more substances, or they may be liquid streams. In preferred embodiments of the invention, the liquid or aqueous streams contain one or more dissolved or suspended substances. The harmful impurities contained in such streams can be different. The only requirement is that at least one of the substances can decompose or participate in the metabolism of aerobic or anaerobic microorganisms. For example, these substances may be inorganic nitrogen-containing compounds, such as ammonia and nitrates. These substances may also be organic. Examples of such harmful organic impurities are phenols, such as phenol, cresols, resorcinol, catechin, halogenated phenols, such as 2-chlorophenol, 3-chlorophenol, 4-chlorophenol, 2,4-dichlorophenol, pentachlorophenol, nitrophenols such as 2-nitrophenol and 4-nitrophenol and 2,4-dimethylphenol. Another important class of organic important impurities includes aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylenes, ethylbenzene, etc. Polynuclear aromatic hydrocarbons constitute an important subclass and are represented by naphthalene, anthracene, chrysene, acenaphthylene, acenaphthene, phenanthrene, fluorene, fluoranthene, naphthacene and pyrene. Other such substances are halogenated alkanes such as trichloroethane and the like.
В предпочтительных вариантах данного изобретения для очистки промышленных стоков обрабатывают вещества, которые часто встречаются в сточных водах. Например, разные замещенные и незамещенные фенолы, такие как фенол, хлорфенолы и нитрофенолы, и ароматические соединения, такие как бензол, являются теми вредными примесями, которые можно обрабатывать в способе данного изобретения, и замещенные и незамещенные фенолы, особенно фенол, представляют собой наиболее распространенные вредные примеси. Фенол находят в сточных водах от производителей фенола, потребителей фенола для производства фенольных смол, от аппаратуры обработки каменноугольной смолы, с заводов варки целлюлозы и других производств, осуществляющих делигнификацию. Нельзя сказать, что способ может или должен использоваться только для обработки таких потоков. Способ данного изобретения можно использовать для любого сырья, содержащего одно или более веществ, концентрацию которых нужно понизить.In preferred embodiments of the invention, substances that are often found in wastewater are treated to treat industrial effluents. For example, various substituted and unsubstituted phenols, such as phenol, chlorophenols and nitrophenols, and aromatic compounds, such as benzene, are those harmful impurities that can be processed in the method of this invention, and substituted and unsubstituted phenols, especially phenol, are the most common harmful impurities. Phenol is found in wastewater from phenol producers, phenol consumers for the production of phenolic resins, from coal tar processing equipment, from pulp mills and other delignification plants. This is not to say that the method can or should be used only to process such flows. The method of this invention can be used for any raw material containing one or more substances, the concentration of which must be reduced.
Начальные концентрации веществ, содержащихся в водных стоках, используемых в данном изобретении, могут варьироваться в широком диапазоне. Одно из преимуществ данного изобретения по сравнению со способами биоразложения предшествующего уровня техники заключается в том, что с его помощью можно обрабатывать жидкие потоки, содержащие относительно высокие количества веществ, которые следует удалить или понизить их концентрацию. Концентрация веществ в технологических потоках, которые следует удалить или понизить их концентрацию с помощью способа данного изобретения, являются «биологически обрабатываемыми концентрациями». Использованный здесь термин «биологически обрабатываемые концентрации» относится к веществам, которые надо удалить или снизить их концентрацию до такой, при которой не тормозится разложение вредных примесей под действием микроорганизмов. Отходящие потоки промышленных производств, таких как производство фенола, переработка каменноугольной смолы, могут содержать вещества, которые следует удалить или снизить их концентрацию от избыточно высокой величины 20000 м.д., что может создать препятствие для применения данного способа. Предпочтительно снизить их концентрации до биологически обрабатываемой концентрации с помощью традиционных методик, таких как экстракция растворителем, перегонка с водяным паром и т.п. Обычно концентрация веществ, которые надо удалить или снизить их концентрацию, в жидких потоках (предпочтительно водных потоках) равна или меньше примерно 12000 м.д. Очевидно, что более низкая концентрация не является критичной и не вносит ограничений в способ. В предпочтительных вариантах данного изобретения концентрация веществ, которые надо удалить или снизить их концентрацию, равна или меньше примерно 6000 м.д. и в особенно предпочтительных вариантах изобретения концентрация веществ, которые надо удалить или снизить их концентрацию, равна или меньше примерно 3000 м.д. Среди этих особенно предпочтительных вариантов изобретения наиболее предпочтительны такие, в которых концентрация веществ, которые надо удалить или снизить их концентрацию, равна или меньше примерно 2000 м.д. и особенно хорошим вариантом является концентрация примерно 1000 м.д.Initial concentrations of the substances contained in the effluents used in this invention can vary over a wide range. One of the advantages of this invention in comparison with the biodegradation methods of the prior art is that it can be used to process liquid streams containing relatively high amounts of substances, which should be removed or their concentration reduced. The concentration of substances in the process streams, which should be removed or lower their concentration using the method of the present invention, are "biologically processed concentrations". As used herein, the term “biologically treatable concentrations” refers to substances that must be removed or reduced to levels such that the decomposition of harmful impurities under the influence of microorganisms is not inhibited. The effluents of industrial plants, such as the production of phenol, the processing of coal tar, may contain substances that should be removed or their concentration reduced from an excessively high value of 20,000 ppm, which may create an obstacle to the application of this method. It is preferable to reduce their concentration to a biologically treatable concentration using conventional techniques such as solvent extraction, steam distillation, and the like. Typically, the concentration of substances to be removed or reduced in liquid streams (preferably water streams) is equal to or less than about 12,000 ppm. Obviously, a lower concentration is not critical and does not limit the process. In preferred embodiments of the invention, the concentration of substances to be removed or reduced is equal to or less than about 6000 ppm. and in particularly preferred embodiments of the invention, the concentration of substances to be removed or reduced is equal to or less than about 3000 ppm. Among these particularly preferred embodiments of the invention, those in which the concentration of substances to be removed or reduced are equal to or less than about 2000 ppm are most preferred. and a concentration of about 1000 ppm is a particularly good option.
Величину pH сырья, содержащего вредные примеси, следует устанавливать такой, чтобы она была оптимальной для биоразложения. Обычно pH выбирают в интервале, при котором возможен метаболизм целевых вредных примесей. В предпочтительных вариантах изобретения pH сырья равен 6-9 и в наиболее предпочтительном варианте изобретения pH сырья равен 6.5-7.5.The pH of raw materials containing harmful impurities should be set so that it is optimal for biodegradation. Typically, the pH is selected in the range at which metabolism of the target harmful impurities is possible. In preferred embodiments of the invention, the pH of the feed is 6-9 and in the most preferred embodiment of the invention, the pH of the feed is 6.5-7.5.
Могут быть нужны также питательные вещества. Такие вещества можно вводит в виде таких добавок, как рыбная мука, соевое масло, арахисовое масло, масло семян хлопчатника и обычно соли - фосфаты, соли натрия, калия, аммония, кальция, сульфаты, хлориды, бромиды, нитраты, карбонаты или подобные ионы. Обычно в водном сырье уже присутствуют достаточные количества добавок для обеспечения минимальных потребностей микроорганизмов.Nutrients may also be needed. Such substances can be added in the form of additives such as fishmeal, soybean oil, peanut oil, cottonseed oil, and usually salts — phosphates, sodium, potassium, ammonium, calcium, sulfates, chlorides, bromides, nitrates, carbonates, or the like. Usually, sufficient amounts of additives are already present in the aqueous feed to meet the minimum requirements of microorganisms.
Исходный водный поток вводят в реактор 10 традиционными способами и пропускают через реактор в течение «эффективного гидравлического времени удерживания». Использованный здесь термин «эффективное гидравлическое время удерживания» означает время, достаточное для уменьшения концентрации вредной примеси в отходящем потоке до нужного уровня. Гидравлическое время удерживания может варьироваться в широком диапазоне и обычно зависит от таких факторов, как концентрация вредных примесей в исходном водном потоке, максимально допустимой концентрации вредной примеси в отходящих водах, микроорганизмов, содержащихся в биомассе, природы вредной примеси и т.п. Преимуществом способа данного изобретения является то, что снижения концентрации вредной примеси можно достичь за относительно короткое гидравлическое время удерживания. В предпочтительных вариантах данного изобретения гидравлические времена удерживания равны или меньше примерно 72 ч и в особенно предпочтительных вариантах изобретения такие времена составляют примерно 1-48 ч. Среди этих особенно предпочтительных вариантов изобретения наиболее предпочтительными являются такие варианты, в которых гидравлическое время удерживания составляет примерно 2-24 ч.The feed water stream is introduced into the reactor 10 by conventional methods and passed through the reactor for an “effective hydraulic retention time”. As used herein, the term “effective hydraulic retention time” means enough time to reduce the concentration of harmful impurities in the effluent to a desired level. The hydraulic retention time can vary over a wide range and usually depends on factors such as the concentration of harmful impurities in the initial water stream, the maximum permissible concentration of harmful impurities in the waste water, microorganisms contained in biomass, the nature of the harmful impurity, etc. An advantage of the method of this invention is that a reduction in the concentration of harmful impurities can be achieved in a relatively short hydraulic holding time. In preferred embodiments of the invention, the hydraulic retention times are equal to or less than about 72 hours, and in particularly preferred embodiments of the invention, these times are about 1-48 hours. Among these particularly preferred embodiments of the invention, those in which the hydraulic retention time is about 2- 24 h
В отходящем потоке понижены концентрации вредных веществ и отсутствует или практически отсутствует шлам. Такой отходящий поток можно привести в соответствие с правительственными инструкциями. Альтернативно отходящий поток можно обработать для удаления любого шлама, который может присутствовать, с использованием осветлителя, и его можно вернуть в способ, генерирующий отходящий поток, или направить в другие потоки, например, для охлаждения башен, бойлеров для получения пара, теплообменников, скрубберов, реакторов и т.п.In the exhaust stream, the concentration of harmful substances is reduced and there is no or practically no sludge. Such effluent can be brought into line with government regulations. Alternatively, the effluent may be treated to remove any sludge that may be present using a clarifier, and may be returned to the effluent generating method or sent to other streams, for example, to cool towers, boilers to produce steam, heat exchangers, scrubbers, reactors, etc.
В одном варианте изобретение предлагает реактор с набивкой в виде ряда чередующихся слоев. Чередующиеся слои набивки включают первый слой набивки из пустотелых элементов и второй слой набивки из пористых элементов носителя с порами размером примерно 15-20 ppi. Пустотелые элементы набивки в первом слое могут необязательно представлять собой набивку в виде цилиндров. Объем пустот в первом слое набивки необязательно может составлять примерно 70-95%. Кроме того, первый слой может необязательно представлять собой монослой пустотелых элементов набивки. В другом случае первый слой может иметь толщину до примерно 10 элементов набивки. Элементы пористого носителя во втором слое могут необязательно быть изготовлены из пены с отношением величины поверхности к объему примерно 35-210 фут2/фут3. Пена необязательно может иметь объем пустот примерно 15-25%. Необязательно элементы пористого носителя второго слоя могут быть изготовлены из гидрофобной пены. Необязательно элементы пористого носителя второго слоя могут быть изготовлены из полиуретановой пены. Кроме того, необязательно, чтобы элементы пористого носителя второго слоя характеризовались отношением величины поверхности к объему примерно в 5-20 раз больше отношения величины поверхности к объему у пустотелых элементов набивки. Необязательно, чтобы второй слой имел толщину до примерно 10 слоев квадратных элементов пористого носителя.In one embodiment, the invention provides a packed reactor in a series of alternating layers. Alternating packing layers include a first packing layer of hollow elements and a second packing layer of porous support elements with pores of about 15-20 ppi. The hollow packing elements in the first layer may optionally be cylindrical packing. The void volume in the first packing layer may optionally be about 70-95%. In addition, the first layer may optionally be a monolayer of hollow packing elements. Alternatively, the first layer may have a thickness of up to about 10 packing elements. The porous support elements in the second layer may optionally be made of foam with a surface to volume ratio of about 35-210 ft 2 / ft 3 . The foam may optionally have a void volume of about 15-25%. Optionally, the elements of the porous support of the second layer can be made of hydrophobic foam. Optionally, the elements of the porous support of the second layer can be made of polyurethane foam. In addition, it is not necessary that the elements of the porous support of the second layer have a surface to volume ratio of about 5-20 times greater than the surface to volume ratio of the hollow packing elements. It is not necessary that the second layer has a thickness of up to about 10 layers of square elements of the porous carrier.
В другом варианте изобретение предлагает реактор с набивкой, содержащий ряд чередующихся слоев набивки. Чередующиеся слои набивки включают первый слой набивки из пустотелых элементов набивки, хаотически упакованных в слой толщиной до примерно 10 элементов набивки, и второй слой набивки из элементов пористого носителя из гидрофобной пены с порами размером в интервале примерно 15-20 ppi. Второй слой также упакован хаотически на толщину до примерно 10 элементов пористого носителя. Кроме того, элементы набивки первого слоя и элементы пористого носителя второго слоя выбирают по форме таким образом, чтобы объем пустот в реакторе оставался равным примерно 50-65%. Пустотелые элементы набивки первого слоя могут необязательно иметь форму цилиндров из пластика. Объем пустот в первом слое набивки необязательно может составлять примерно 70-95%. Элементы пористого носителя во втором слое могут необязательно быть изготовлены из пены с отношением величины поверхности к объему примерно 35-210 фут2/фут3. Элементы пористого носителя второго слоя могут необязательно иметь объем пустот примерно 15-25%. Необязательно элементы пористого носителя второго слоя могут быть изготовлены из полиуретановой пены. Необязательно, чтобы элементы пористого носителя второго слоя характеризовались отношением величины поверхности к объему примерно в 5-20 раз больше отношения величины поверхности к объему у пустотелых элементов набивки.In another embodiment, the invention provides a packed reactor containing a series of alternating layers of packing. Alternating packing layers include a first packing layer of hollow packing elements randomly packed into a layer with a thickness of up to about 10 packing elements, and a second packing layer of hydrophobic foam porous support elements with pores ranging in size from about 15-20 ppi. The second layer is also randomly packed to a thickness of up to about 10 elements of the porous support. In addition, the packing elements of the first layer and the elements of the porous support of the second layer are selected in shape so that the void volume in the reactor remains equal to about 50-65%. The hollow packing elements of the first layer may optionally be in the form of plastic cylinders. The void volume in the first packing layer may optionally be about 70-95%. The porous support elements in the second layer may optionally be made of foam with a surface to volume ratio of about 35-210 ft 2 / ft 3 . Elements of the porous support of the second layer may optionally have a void volume of about 15-25%. Optionally, the elements of the porous support of the second layer can be made of polyurethane foam. It is not necessary that the elements of the porous support of the second layer have a surface to volume ratio of about 5-20 times greater than the surface to volume ratio of the hollow packing elements.
В еще одном варианте изобретение предлагает реактор с набивкой, содержащий ряд чередующихся слоев набивки. Чередующиеся слои набивки включают первый слой набивки из пустотелых элементов набивки, хаотически упакованных в слой толщиной до примерно 10 элементов набивки, и второй слой набивки из элементов пористого носителя из гидрофобной пены. Элементы носителя имеют поры размером примерно 15-20 ppi и хаотически упакованы на толщину до примерно 10 элементов пористого носителя. Кроме того, элементы набивки первого слоя имеют практически форму цилиндров и элементы пористого носителя второго слоя имеют практически прямолинейную форму. Первый слой набивки необязательно содержит пустоты в объеме примерно 70-95%, и во втором слое набивки объем пустот составляет примерно 15-25%.In yet another embodiment, the invention provides a packed reactor containing a series of alternating layers of packing. Alternating packing layers include a first packing layer of hollow packing elements randomly packed into a layer of up to about 10 packing elements and a second packing layer of hydrophobic foam porous carrier elements. The support elements have pores of about 15-20 ppi and are randomly packed to a thickness of up to about 10 elements of the porous support. In addition, the packing elements of the first layer are almost cylindrical in shape and the elements of the porous support of the second layer are almost rectilinear. The first packing layer optionally contains voids in a volume of about 70-95%, and in the second packing layer, the volume of voids is about 15-25%.
Следующие примеры иллюстрируют и представляют данное изобретение, объем которого реально значительно больше. Не следует считать, что примеры тем или иным способом ограничивают изобретение.The following examples illustrate and represent the present invention, the scope of which is actually much larger. It should not be considered that the examples in one way or another limit the invention.
ПРИМЕРЫEXAMPLES
Был проведен ряд экспериментов для оценки влияния ориентации пустотелых элементов набивки и пористых носителей биомассы, т.е. сделанных из полиуретановой пены.A series of experiments was carried out to assess the influence of the orientation of hollow packing elements and porous biomass carriers, i.e. made of polyurethane foam.
Пример IExample I
Жесткие пустотелые цилиндры (пластик) получили от Jaeger Products, Inc. под торговой маркой HiFlow. Эти пустотелые цилиндры использовали в качестве пустотелых элементов набивки в опытах по биоразложению. Биологически активные элементы были изготовлены из полиуретановой пены (PUF) от Foamex, Inc., под торговой маркой SIF II. Эта пена содержит 75 мас.% полиолов (примерно 40 мас.% этиленоксида и 60 мас.% пропиленоксида) и примерно 25-35 мас.% толуолдиизоцианата. Пена содержала 15-20 пор на дюйм, и поры были разных размеров.Rigid hollow cylinders (plastic) were obtained from Jaeger Products, Inc. under the trademark HiFlow. These hollow cylinders were used as hollow packing elements in biodegradation experiments. Biologically active elements were made of polyurethane foam (PUF) from Foamex, Inc., under the trademark SIF II. This foam contains 75 wt.% Polyols (about 40 wt.% Ethylene oxide and 60 wt.% Propylene oxide) and about 25-35 wt.% Toluene diisocyanate. The foam contained 15-20 pores per inch, and the pores were of different sizes.
На фиг.5 проиллюстрированы три конфигурации использованных реакторов. Пористые носители биомассы PUF (110) и пустотелые элементы набивки HiFlow (120) смешивали в разных отношениях для достижения определенного уровня открытости или нужного объема пустот в каждом биореакторе. Реакторы были одного и того же объема (1 л), и каждый реактор содержал одно и то же количество пустотелых элементов набивки 120 и структур пористого носителя биомассы, входящих в биологически активные элементы 110.Figure 5 illustrates three configurations of the used reactors. Porous PUF (110) biomass carriers and HiFlow (120) hollow packing elements were mixed in different ways to achieve a certain level of openness or the desired volume of voids in each bioreactor. The reactors were of the same volume (1 L), and each reactor contained the same number of
Биореактор 1 (49) состоял из двух секций. Нижняя часть была набита пустотелыми элементами - 0.5-дюймовыми цилиндрами HiFlow и верхняя часть была набита 0.5-дюймовыми кубиками из полиуретана в качестве активных носителей биомассы.Bioreactor 1 (49) consisted of two sections. The lower part was stuffed with hollow elements - 0.5-inch HiFlow cylinders and the upper part was stuffed with 0.5-inch cubes of polyurethane as active carriers of biomass.
Биореактор 2 (50) состоял из хаотически смешанных пористых носителей биомассы 110 и пустотелых элементов набивки 120, беспорядочно распределенных по биореактору.Bioreactor 2 (50) consisted of randomly mixed
Биореактор 3 (51) содержал чередующиеся слои только пустотелых элементов набивки 120 и только слои пористых носителей биомассы 110.Bioreactor 3 (51) contained alternating layers of only hollow elements of packing 120 and only layers of porous carriers of
В эти три биореактора пропускали одни и те же модельные сточные воды, которые состояли из следующих компонентов в следующих концентрациях: н-кокоил-н-метилтаурат натрия 100 мг/л; Igepal СО-630 (нонилфенолэтиленоксид) 100 мг/л; мочевина 1000 мг/л; креатинин 200 мг/л; капролактам 20 мг/л; этанол 50 мг/л; бензиловый спирт 20 мг/л и дигидрофосфат натрия 25 мг/л.The same model wastewater was passed into these three bioreactors, which consisted of the following components in the following concentrations: sodium n-cocoyl-n-
Реакторы работали по принципу прямоточного восходящего потока, т.е. и воздух и сточные воды двигались от дна до вершины реактора от соответствующих мест ввода (138 - газ, 130 - жидкость). Реактор аэрировали сжатым воздухом (40 фунт/кв. дюйм) через диффузор из пористого стекла 140, находящийся на дне каждого реактора 100. С помощью регулятора газового потока аэрацию через диффузоры 140 регулировали на уровне 8-13 л/мин. В каждый реактор подавали одно и то же количество воздуха. Скорость аэрации определяли на основании стехиометрии полного разложения веществ, окисляемых за счет потребления кислорода (COD). Предполагается эффективность переноса (от воздуха к воде) на уровне 8%. Сточные воды накачивали на дно каждого реактора перистальтическим насосом Masterflex. Скорость потока сточных вод регулировали с помощью изменения скорости насоса. Три биореактора работали при гидравлических временах контакта 48 ч, 24 ч, 18 ч и 12 ч каждый в течение недели при каждом гидравлическом времени контакта. Количество COD и мочевины, удаленных из входящих сточных вод, определяли в отходящем потоке из биореактора 134.The reactors worked on the principle of direct-flow upward flow, i.e. and air and waste water moved from the bottom to the top of the reactor from the respective entry points (138 - gas, 130 - liquid). The reactor was aerated with compressed air (40 psi) through a
В таблице I суммированы данные по удалению веществ, окисляемых за счет потребления кислорода (COD) и мочевины из этих сточных вод в трех биореакторах.Table I summarizes data on the removal of substances oxidized by the consumption of oxygen (COD) and urea from these wastewaters in three bioreactors.
Все биореакторы были одного размера и содержали одно и то же количество пустотелых элементов набивки и пористых носителей для биомассы из полиуретановой пены. Единственным различием между реакторами было распределение набивки внутри реакторов. Биореактор 1 (49) содержал пустотелые элементы набивки и пористые носители для биомассы в двух разных секциях. Такая конфигурация набивки привела к самой низкой степени удаления COD и мочевины. Биореактор 2 (50) содержал пустотелые элементы набивки и пористые носители биомассы, беспорядочно распределенные по реактору. Такая конфигурация показала повышенную активность в удалении COD и мочевины по сравнению с биореактором 1 (49). Можно предположить, что это обусловлено улучшенным распределением воздуха и воды в биореакторе. Биореактор 3 (51) содержал пустотелые элементы набивки и пористые носители биомассы в чередующихся монослоях, и этот биореактор обладал наилучшей активностью в удалении COD и мочевины.All bioreactors were the same size and contained the same number of hollow packing elements and porous biomass carriers made of polyurethane foam. The only difference between the reactors was the packing distribution within the reactors. Bioreactor 1 (49) contained hollow packing elements and porous biomass carriers in two different sections. This packing configuration resulted in the lowest removal of COD and urea. Bioreactor 2 (50) contained hollow packing elements and porous biomass carriers randomly distributed throughout the reactor. This configuration showed increased activity in the removal of COD and urea compared with bioreactor 1 (49). It can be assumed that this is due to the improved distribution of air and water in the bioreactor. Bioreactor 3 (51) contained hollow packing elements and porous biomass carriers in alternating monolayers, and this bioreactor had the best activity in removing COD and urea.
Различие реакторов в удалении COD и мочевины наиболее ярко выражено при малых гидравлических временах контакта (т.е. при более высоких скоростях потока), чем при больших гидравлических временах контакта (т.е. при меньших скоростях потока). Для максимально экономически выгодной обработки сточных вод желательно использовать меньшие гидравлические времена контакта в биореакторах. При таких условиях преимущество конфигурации набивки в биореакторе 3 согласно варианту изобретения более четко выражено и подтверждает превосходство схемы набивки реактора согласно данному изобретению.The difference between the reactors in the removal of COD and urea is most pronounced at small hydraulic contact times (i.e., at higher flow rates) than at large hydraulic contact times (i.e., at lower flow rates). For the most cost-effective wastewater treatment, it is advisable to use shorter hydraulic contact times in bioreactors. Under such conditions, the advantage of the packing configuration in the
Пример IIExample II
Другую серию опытов по обработке сточных вод путем биоразложения провели для сравнения эффективности удаления из объема в присутствии беспорядочно диспергированной системы пустотелых элементов набивки и пористых носителей для биомассы и слоя набивки по варианту данного изобретения, содержащего чередующиеся слои тех же носителей и элементов набивки.Another series of experiments on the treatment of wastewater by biodegradation was carried out to compare the removal efficiency from the volume in the presence of a randomly dispersed system of hollow packing elements and porous carriers for biomass and a packing layer according to an embodiment of the present invention containing alternating layers of the same carriers and packing elements.
Как показано на фиг.6, были использованы попарно четыре реактора. Каждая из пар, 60 и 61, состояла из двух реакторов 100, 101, соединенных последовательно таким образом, что отходящий поток из первого реактора 100 служил сырьем для следующего реактора 101. По методике примера I определяли эффективность полного удаления углерода (ТОС) для каждой системы. Контрольная пара реакторов, состоящая из двух однолитровых последовательно соединенных реакторов 100, 101, была хаотически заполнена 0.5-дюймовыми элементами набивки HiFlow (120) и 0.5-дюймовыми пенными блоками SIF II (110), в то время как другой ряд 61 был заполнен набивкой, состоящей из чередующихся слоев HiFlow 120 и полиуретановых PUF-блоков 110 (61).As shown in FIG. 6, four reactors were used in pairs. Each of the
В каждой паре реакторы 100, 101 работали в режиме совместного восходящего потока. Технологический поток для обработки поступает в реактор 100 на входе и выходит в линию 133, которая питает реактор 101, подавая его на дно. Технологический поток протекает наверх реактора 101 и выходит через выходное отверстие 134. Реакторы 100, 101 аэрировали сжатым воздухом (40 фунт/кв. дюйм) через диффузор из пористого стекла, находящийся на дне каждого реактора. С помощью регулятора газа аэрацию через диффузоры регулировали на уровне 8-13 л/мин. В каждую пару реакторов подавали одно и то же количество воздуха.In each pair, the
Обрабатываемые сточные воды накачивали на дно реактора 100 в каждой системе 60, 61 с помощью перистальтического насоса Masterflex. Поток сточных вод регулировали, изменяя скорость насоса. Каждая пара биореакторов 60, 61 работала при гидравлических временах контакта 10 ч в течение недели. Количество ТОС, удаленных из подаваемых сточных вод, определяли в потоке, отходящем из биореактора через выходное отверстие 134.The treated wastewater was pumped to the bottom of the
Таблица II данные по удалению ТОС из сточных вод в двух системах биореакторов.Table II data on the removal of CBT from wastewater in two bioreactor systems.
В системе биореактора с послойной набивкой (61) согласно варианту изобретения в отходящем потоке наблюдается значительно пониженный уровень ТОС и с меньшими колебаниями, чем в биореакторе с беспорядочной набивкой.In the bioreactor system with layer-by-layer packing (61) according to an embodiment of the invention, a significantly lower level of TOC and with less fluctuations is observed in the effluent stream than in a bioreactor with random packing.
Хотя выше был подробно описан по меньшей мере один вариант, следует подчеркнуть, что существует множество вариантов. Следует иметь в виду, что примерный вариант или описанные здесь варианты никоим образом не ограничивают объем, применимость или конфигурацию изобретения. Более того, приведенное выше подробное описание будет служить для специалистов в данной области удобным пособием для внедрения описанного варианта или вариантов. Следует понимать, что возможны различные изменения в функционировании и расположении элементов, если они не отклоняются от объема изобретения в рамках заявленной формулы и ее допустимых эквивалентов.Although at least one option has been described in detail above, it should be emphasized that there are many options. It should be borne in mind that the exemplary embodiment or the options described here in no way limit the scope, applicability or configuration of the invention. Moreover, the above detailed description will serve as a convenient tool for specialists in this field to implement the described option or options. It should be understood that various changes in the functioning and arrangement of elements are possible if they do not deviate from the scope of the invention within the scope of the claimed formula and its acceptable equivalents.
Claims (10)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US69810605P | 2005-07-11 | 2005-07-11 | |
| US60/698,106 | 2005-07-11 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008104561A RU2008104561A (en) | 2009-08-20 |
| RU2418748C2 true RU2418748C2 (en) | 2011-05-20 |
Family
ID=37136507
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008104561A RU2418748C2 (en) | 2005-07-11 | 2006-07-10 | Reactor with packing |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7582474B2 (en) |
| EP (1) | EP1901998B1 (en) |
| JP (1) | JP4921467B2 (en) |
| KR (1) | KR20080040688A (en) |
| CN (1) | CN101263088A (en) |
| AU (1) | AU2006269312B2 (en) |
| RU (1) | RU2418748C2 (en) |
| TW (1) | TW200804201A (en) |
| WO (1) | WO2007008675A1 (en) |
Families Citing this family (37)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7566428B2 (en) * | 2005-03-11 | 2009-07-28 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Bed support media |
| US8759714B2 (en) * | 2007-07-06 | 2014-06-24 | Illinois Tool Works Inc. | Portable generator and battery charger verification control method and system |
| KR101046277B1 (en) * | 2008-07-16 | 2011-07-04 | 주식회사 부강테크 | Wastewater Treatment System for Two-stage Multi-layer Biofiltration Process |
| US8764986B2 (en) * | 2008-12-22 | 2014-07-01 | University Of Utah Research Foundation | Submerged system and method for removal of undesirable substances from aqueous media |
| CN101864361B (en) * | 2009-04-16 | 2013-02-06 | 赛宇细胞科技股份有限公司 | Cell culture device capable of being amplified |
| US10190030B2 (en) | 2009-04-24 | 2019-01-29 | Alger Alternative Energy, Llc | Treated geothermal brine compositions with reduced concentrations of silica, iron and lithium |
| PL2496528T3 (en) * | 2009-09-04 | 2017-06-30 | Veolia Water Solutions & Technologies Support | Process for packed bed bioreactor for biofouling control of reverse osmosis and nanofiltration membranes |
| US8372285B2 (en) | 2009-12-01 | 2013-02-12 | Imet Corporation | Method and apparatus for the bio-remediation of aqueous waste compositions |
| MX2009013966A (en) * | 2009-12-17 | 2011-06-16 | Inst Potosino De Investigacion Cientifica Y Tecnologica A C | Packing material comprising starch-modified polyurethane for the biofiltration of organic compounds present in gaseous or liquid effluents, production methods thereof and biofiltration system. |
| EP2380659A1 (en) * | 2010-04-21 | 2011-10-26 | De Dietrich Process Systems GmbH | Pall ring-type packing element |
| ES2546763T3 (en) * | 2011-04-04 | 2015-09-28 | Veolia Water Solutions & Technologies Support | Improved reactor and procedure for biological purification of wastewater |
| CN102225322A (en) * | 2011-04-12 | 2011-10-26 | 纪群 | Reactor with interval filling bed |
| JP5848073B2 (en) * | 2011-09-15 | 2016-01-27 | 株式会社エイブル | Aerobic biological treatment equipment |
| JP5865097B2 (en) * | 2012-01-30 | 2016-02-17 | 株式会社クボタ | Filter media for water treatment and septic tank |
| KR102602204B1 (en) | 2012-02-17 | 2023-11-15 | 알크레스타, 인크. | Methods, compositions, and devices for supplying dietary fatty acid needs |
| DE102012009234A1 (en) * | 2012-05-09 | 2013-11-14 | AROBA Anlagen-Rohrbau GmbH | Device for biological air purification in livestock facilities, comprises biological filter containing porous filter material, which is arranged inside housing, where metabolically active microorganisms are settled on filter material |
| CN103242638B (en) * | 2013-04-28 | 2015-04-01 | 淄博职业学院 | Microorganism carrier added with nanometer silicon dioxide and preparation method thereof as well as application of microorganism carrier |
| CN103331072B (en) * | 2013-07-18 | 2015-07-01 | 平安电气股份有限公司 | Series row type sphere grid plate wet-type filter |
| CN106573214A (en) * | 2014-06-26 | 2017-04-19 | 巴斯夫公司 | Low pressure drop packing material structures |
| US20160046898A1 (en) * | 2014-08-12 | 2016-02-18 | Pbs Biotech, Inc. | Cell growth macrocarriers for bioreactors |
| CN104229980B (en) * | 2014-09-23 | 2015-11-25 | 王伟 | A kind of sewage water treatment method using combined biological bed |
| US10258590B2 (en) * | 2015-10-14 | 2019-04-16 | Alcresta Therapeutics, Inc. | Enteral feeding device and related methods of use |
| CN108883346A (en) * | 2016-02-03 | 2018-11-23 | 霍尼韦尔国际公司 | Water filter filter core and the method for crossing drainage using it |
| LU93013B1 (en) | 2016-04-04 | 2017-11-08 | Cppe Carbon Process & Plant Eng S A En Abrege Cppe S A | Process for the removal of heavy metals from fluids |
| LU93014B1 (en) * | 2016-04-04 | 2017-10-05 | Ajo Ind S A R L | Catalyst mixture for the treatment of waste gas |
| LU93012B1 (en) | 2016-04-04 | 2017-11-08 | Cppe Carbon Process & Plant Eng S A En Abrege Cppe S A | Sulfur dioxide removal from waste gas |
| CN106587333A (en) * | 2017-01-04 | 2017-04-26 | 张家港纽艾农业科技有限公司 | Expanded bed bioreactor |
| US10087411B1 (en) * | 2017-03-30 | 2018-10-02 | Edward Brian HAMRICK | Methods and apparatus for separating ethanol from fermented biomass |
| US11045396B2 (en) | 2017-08-17 | 2021-06-29 | Alcresta Therapeutics, Inc. | Devices and methods for the supplementation of a nutritional formula |
| JP2019098247A (en) * | 2017-12-01 | 2019-06-24 | 王子ホールディングス株式会社 | Water treatment device, and management method of water treatment device |
| US10913667B2 (en) | 2017-12-08 | 2021-02-09 | Westech Engineering, Inc. | Multi-media clarification systems and methods |
| CN111801410A (en) | 2017-12-20 | 2020-10-20 | 尤尼沃尔塞尔斯技术股份公司 | Bioreactors and Related Methods |
| WO2019143659A1 (en) * | 2018-01-16 | 2019-07-25 | Uop Llc | Packed bed reactor with movable top plate |
| CN109231674B (en) * | 2018-10-11 | 2021-08-31 | 浙江彩燕新材料股份有限公司 | Reclaimed water recycling method for printing and dyeing wastewater of ultra-soft fabric |
| CN109443034A (en) * | 2018-11-27 | 2019-03-08 | 郑州科源耐磨防腐工程有限公司 | The cooling tower heat-exchange system to be exchanged heat at many levels using three-dimensional porous structure body |
| CN111468065B (en) * | 2020-04-24 | 2022-02-22 | 烟台大学 | Production device and production process of high-activity polyisobutylene |
| CN111620513B (en) * | 2020-04-28 | 2022-04-12 | 生态环境部华南环境科学研究所 | Method for grading, treating and recycling rural domestic sewage |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5800709A (en) * | 1994-03-24 | 1998-09-01 | Thames Water Utilities Limited | Biological aerated filters |
| US5980748A (en) * | 1996-03-07 | 1999-11-09 | Texel Inc. | Method for the treatment of a liquid |
| RU2144004C1 (en) * | 1993-03-25 | 2000-01-10 | Хердинг ГмбХ Фильтертехник | Bioreactor with fixed bed, carrier elements for such bioreactor and methods of their manufacture |
| NL1018703C2 (en) * | 2001-08-03 | 2003-02-04 | Biorock Internat | Sewage treatment device for purifying effluent, contains filter layer comprising porous material filter elements |
Family Cites Families (39)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5237396B1 (en) * | 1965-12-08 | 1977-09-21 | ||
| US3617531A (en) * | 1970-07-29 | 1971-11-02 | Texaco Inc | Selective adsorption of phenols from solution in hydrocarbons |
| GB1412590A (en) * | 1971-12-20 | 1975-11-05 | Gary Aircraft Corp | Biological treatment of liquid effluent |
| US4005985A (en) * | 1972-01-07 | 1977-02-01 | Phillips Petroleum Company | Catalytic reactor |
| US4002705A (en) * | 1972-03-01 | 1977-01-11 | Mass Transfer Limited | Fluid-fluid contact apparatus |
| JPS529680A (en) * | 1975-07-14 | 1977-01-25 | Akira Hirata | A packed tower type gas-liquid contact apparatus |
| CA1072720A (en) * | 1976-06-25 | 1980-03-04 | John P. Butler | Process for the exchange of hydrogen isotopes using a catalyst packed bed assembly |
| JPS5339655A (en) * | 1976-09-24 | 1978-04-11 | Niigata Eng Co Ltd | Treatment of drainage water in use of unwoven fabric sheet |
| JPS55145589A (en) | 1979-04-28 | 1980-11-13 | Achilles Corp | Contact oxidizing apparatus for nitration |
| JPS57170184A (en) * | 1980-07-18 | 1982-10-20 | Unisearch Ltd | Mutant of e. coli and production of phenylalanine |
| US4615796A (en) * | 1981-10-29 | 1986-10-07 | Chevron Research Company | Method for contacting solids-containing feeds in a layered bed reactor |
| DE3213074A1 (en) * | 1982-04-07 | 1983-10-20 | Linde Ag, 6200 Wiesbaden | METHOD AND DEVICE FOR BIOLOGICAL WASTE WATER TREATMENT |
| FR2540484A1 (en) | 1983-02-03 | 1984-08-10 | Degremont Sa | APPARATUS FOR THE ANAEROBIC FILTRATION OF WASTEWATER |
| DE3312578A1 (en) * | 1983-04-08 | 1984-10-11 | Bayer Ag, 5090 Leverkusen | BIOLOGICALLY ACTIVE COMPOSITION FOR WASTEWATER AND EXHAUST AIR TREATMENT |
| DE3402697A1 (en) * | 1984-01-26 | 1985-08-01 | Bayer Ag, 5090 Leverkusen | USE OF HYDROPHILIC, HIGH-FILLED POLYURETHANE MASSES FOR BIOLOGICAL WASTE WATER TREATMENT |
| US4904456A (en) * | 1985-06-20 | 1990-02-27 | Phillips Petroleum Company | Apparatus for treating fluids in a bed of particulate material |
| DE3615103A1 (en) * | 1986-05-03 | 1987-11-05 | Bayer Ag | USE OF POLYMER CARRYING MATERIALS AS A CARRIER IN BIOCHMIC CONVERSION PROCESSES IN AQUEOUS PHASE |
| GB8813628D0 (en) * | 1988-06-09 | 1988-07-13 | Shandon Southern Prod | Immunostaining |
| US4983299A (en) * | 1989-04-10 | 1991-01-08 | Allied-Signal | Removal of phenols from waste water by a fixed bed reactor |
| US5543052A (en) * | 1988-07-28 | 1996-08-06 | Alliedsignal Inc. | Process for removal of organic pollutants from waste water |
| JPH0343312A (en) * | 1989-06-30 | 1991-02-25 | Sansei Seiki Kk | Wrapping device for air-permeable sheet |
| JPH0343312U (en) * | 1989-09-05 | 1991-04-23 | ||
| US5580770A (en) * | 1989-11-02 | 1996-12-03 | Alliedsignal Inc. | Support containing particulate adsorbent and microorganisms for removal of pollutants |
| US6395522B1 (en) * | 1989-11-02 | 2002-05-28 | Alliedsignal Inc. | Biologically active support containing bound adsorbent particles and microorganisms for waste stream purification |
| JP2601379B2 (en) * | 1991-03-14 | 1997-04-16 | 財団法人南洋協会 | Gas deodorization and oxidation treatment method, liquid ozone oxidation treatment method, and pretreatment method for aerobic biological treatment |
| DE69223288T2 (en) * | 1991-07-09 | 1998-03-19 | Inst Francais Du Petrol | Distillation reactor and its use for equilibrium reactions |
| US5217616A (en) * | 1991-12-06 | 1993-06-08 | Allied-Signal Inc. | Process and apparatus for removal of organic pollutants from waste water |
| FR2689494B1 (en) * | 1992-04-03 | 1994-06-24 | Cise | PROCESS AND DEVICE FOR THE PURIFICATION OF WASTE WATER BY BIOLOGICAL WAY. |
| US5413714A (en) * | 1993-04-16 | 1995-05-09 | Alliedsignal Inc. | Process for biological remediation of vaporous pollutants |
| US5747143A (en) * | 1996-07-08 | 1998-05-05 | Norton Chemical Process Products Corporation | Packing element |
| US5690819A (en) * | 1996-07-16 | 1997-11-25 | Chianh; Yung Huang | Structure of biochemical filter ball |
| US6291603B1 (en) * | 1997-07-18 | 2001-09-18 | Crystaphase International, Inc. | Filtration and flow distribution method for chemical reactors using reticulated ceramics with uniform pore distributions |
| US20020068026A1 (en) * | 1997-08-08 | 2002-06-06 | Lawrence L. Murrell | Reactor |
| US6425574B1 (en) * | 1998-12-18 | 2002-07-30 | Air Products And Chemicals, Inc. | Mixed-resistance structured packing |
| CA2316031C (en) * | 1999-08-17 | 2006-05-23 | Koch-Glitsch, Inc. | Packing element |
| US6890433B2 (en) * | 2001-04-13 | 2005-05-10 | Harry L. Nurse, Jr. | System for treating wastewater |
| US6524849B1 (en) * | 2001-08-23 | 2003-02-25 | Bio-Reaction Industries, Llc | Biological filter structures |
| US6936446B2 (en) * | 2002-06-19 | 2005-08-30 | Eliminite, Inc. | Light weight medium for growing microorganisms |
| US6666436B1 (en) * | 2002-09-25 | 2003-12-23 | Beco Engineering Co. | Mixed-size packed beds |
-
2006
- 2006-07-06 US US11/481,765 patent/US7582474B2/en active Active
- 2006-07-10 KR KR20087002678A patent/KR20080040688A/en not_active Ceased
- 2006-07-10 AU AU2006269312A patent/AU2006269312B2/en not_active Ceased
- 2006-07-10 CN CNA2006800331008A patent/CN101263088A/en active Pending
- 2006-07-10 WO PCT/US2006/026540 patent/WO2007008675A1/en not_active Ceased
- 2006-07-10 EP EP20060786628 patent/EP1901998B1/en not_active Ceased
- 2006-07-10 RU RU2008104561A patent/RU2418748C2/en not_active IP Right Cessation
- 2006-07-10 JP JP2008521468A patent/JP4921467B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2006-07-11 TW TW95125329A patent/TW200804201A/en unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2144004C1 (en) * | 1993-03-25 | 2000-01-10 | Хердинг ГмбХ Фильтертехник | Bioreactor with fixed bed, carrier elements for such bioreactor and methods of their manufacture |
| US5800709A (en) * | 1994-03-24 | 1998-09-01 | Thames Water Utilities Limited | Biological aerated filters |
| US5980748A (en) * | 1996-03-07 | 1999-11-09 | Texel Inc. | Method for the treatment of a liquid |
| NL1018703C2 (en) * | 2001-08-03 | 2003-02-04 | Biorock Internat | Sewage treatment device for purifying effluent, contains filter layer comprising porous material filter elements |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| US 4561.974 А, 31.12.1985. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW200804201A (en) | 2008-01-16 |
| US7582474B2 (en) | 2009-09-01 |
| JP2009500173A (en) | 2009-01-08 |
| KR20080040688A (en) | 2008-05-08 |
| JP4921467B2 (en) | 2012-04-25 |
| EP1901998B1 (en) | 2012-03-21 |
| AU2006269312B2 (en) | 2010-12-23 |
| RU2008104561A (en) | 2009-08-20 |
| AU2006269312A1 (en) | 2007-01-18 |
| EP1901998A1 (en) | 2008-03-26 |
| CN101263088A (en) | 2008-09-10 |
| US20070007201A1 (en) | 2007-01-11 |
| WO2007008675A1 (en) | 2007-01-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2418748C2 (en) | Reactor with packing | |
| US5217616A (en) | Process and apparatus for removal of organic pollutants from waste water | |
| US5413714A (en) | Process for biological remediation of vaporous pollutants | |
| EP0467969B1 (en) | Process for removal of organic pollutants from waste water | |
| Loupasaki et al. | Attached growth systems for wastewater treatment in small and rural communities: a review | |
| Verma et al. | Aerobic biofiltration processes—Advances in wastewater treatment | |
| CN102040307A (en) | Sewage treatment system | |
| WO1994014712A1 (en) | Process for biochemical oxidation of ultra-toxic wastewater in a packed bed bioreactor | |
| CN102225322A (en) | Reactor with interval filling bed | |
| EP0639159B1 (en) | Apparatus and process for removal of pollutants from waste water | |
| US5543052A (en) | Process for removal of organic pollutants from waste water | |
| EP0600989B1 (en) | Process for removal of organic pollutants from wastewater | |
| Abdalla et al. | Upgrading of Activated Sludge Systems Using Immobilized Nitrifiers in Polymer Pellets | |
| KR970006145B1 (en) | Method for producing porous glass carrier for wastewater treatment | |
| Shete et al. | Fixed film fixed bed reactor–low cost approach | |
| Chu et al. | Application of dual media biofilm reactors for removing organic matter and ammonia from pesticide wastewaters | |
| WO1992006043A1 (en) | Process for removal of organic pollutants from waste water |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190711 |